Đánh giá hiệu quả của chu trình CO2 transcritical sử dụng trong kỹ thuật điều hòa không khí

Tóm tắt: Luận văn nghiên cứu đánh giá hiệu quả của chu trình CO 2 transcritical sử dụng trong trong kỹ thuật điều hòa không khí ở phạm vi dân dụng. Những kết quả nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng các chu trình CO 2 transcritical cải tiến để tăng COP cho chu trình. So sánh với chu trình lạnh với môi chất truyền thống như R22, R32, R410A trong cùng điều kiện hoạt động, COP của các chu trình CO 2 transcritical là thấp hơn khá nhiều. Tuy nhiên, năng suất lạnh riêng thể tích của các chu trình CO 2 transcritical là lớn hơn nhiều so với chu trình sử dụng môi chất truyền thống. Với điều kiện hoạt động của hệ thống điều hòa không khí, năng suất lạnh riêng thể tích trung bình của các chu trình CO 2 transcritical gấp khoảng 3.5 lần so với chu trình R22, 2.2 lần so với chu trình R32 và 2.4 lần so với chu trình R410A. Điều này giúp cho thiết bị thực tế của chu trình CO 2 transcritical nhỏ gọn hơn

NGUYỄN TRỌNG HIẾU

TRANSCRITICAL SỬ DỤNG TRONG KỸ THUẬT ĐIỀU

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh

Cán bộ hướng dẫn khoa học: GS.TS Lê Chí Hiệp

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Hà Anh Tùng

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Bùi Trung Thành

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP Hồ Chí Minh ngày 02 tháng 07 năm 2019

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 TS Nguyễn Văn Tuyên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIÊM VU LUÂN VĂN THAC sĩ

• • • •

Ngày, tháng, năm sinh: 07/01/1989 Nơi sinh: Quảng Trị

I TÊN ĐỀ TÀI: Đánh giá hiệu quả của chu trình CO 2 transcritical sử dụng trong

kỹ thuật điều hòa không khí

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Khảo sát, tính toán, đánh giá hiệu quả của các chu trình CO2 transcritical sử dụng trong kỹ thuật điều hòa không khí

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP

LỜI CÁM ƠN

Sau thời gian theo học cao học tại trường Đại học Bách khoa, ĐHQG TP Hồ Chí Minh, bằng sự biết ơn và kính trọng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, các phòng, khoa thuộc Nhà trường và các Giáo sư, p Giáo sư, Tiến sĩ, đặc biệt là các thầy, cô từ bộ môn Công nghệ Nhiệt lạnh, khoa Cơ Khí đã nhiệt tình hướng dẫn, giảng dạy và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong suốt quá trĩnh học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy GS.TS Lê Chí Hiệp, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Qua đây em xin gởi lời cám ơn đến gia đĩnh, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện,

hỗ trợ em đặc biệt về thời gian và tinh thần để em có thể theo học và hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng chắc chắn luận văn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo để luận văn của em được hoàn thiện hơn

Em xin trân trọng cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2019

Học viên

Nguyễn Trọng Hiếu

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Việc sử dụng chu trình C02 transcritical cho các ứng dụng làm lạnh, điều hòa không khí, bom nhiệt đã và đang đuợc quan tâm nghiên cứu trên thế giới do ảnh huởng của các môi chất lạnh truyền thống đối với môi truờng, trong khi đó C02 là môi chất lạnh tự nhiên, thân thiện với môi truờng và rất có tiềm năng để phát triển Cụ thể, chỉ

số ODP (mức độ phá hủy tầng ozone) CO2 bằng 0; chỉ GWP (mức độ gây hiệu ứng nhà kính) của C02 bằng 1, nhỏ hơn 1700 lần so với môi chất R22, 1300 lần so với R134a,

580 lần so với R32 và 1890 lần so với R410A

Luận văn nghiên cứu đánh giá hiệu quả của chu trình CO2 transcritical sử dụng trong trong kỹ thuật điều hòa không khí ở phạm vi dân dụng Những kết quả nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng các chu trình CO2 transcritical cải tiến để tăng COP cho chu trình

So sánh với chu trình lạnh với môi chất truyền thống nhu R22, R32, R410A trong cùng điều kiện hoạt động, COP của các chu trĩnh C02 transcritical là thấp hơn khá nhiều Tuy nhiên, năng suất lạnh riêng thể tích của các chu trình CO2 transcritical là lớn hơn nhiều so với chu trĩnh sử dụng môi chất truyền thống Với điều kiện hoạt động của hệ thống điều hòa không khí, năng suất lạnh riêng thể tích trung bĩnh của các chu trĩnh

CO2 transcritical gấp khoảng 3.5 lần so với chu trình R22, 2.2 lần so với chu trình R32

và 2.4 lần so với chu trình R410A Điều này giúp cho thiết bị thục tế của chu trình CO2

transcritical nhỏ gọn hơn

Nhiệt độ cuối tầm nén của chu trình CO2 transcritical cơ bản là lớn hơn so với chu trĩnh với môi chất truyền thống, tuy nhiên khi sử dụng nén 2 cấp có làm mát trung gian, nhiệt độ cuối tầm nén sẽ giảm đáng kế Trong điều kiện khảo sát, nhiệt độ cuối tầm nén

của chu trình có làm mát trung gian đuợc cắt giảm khoảng 15°c

Xét về mặt hiệu quả năng luợng, nhiệt độ cuối tầm nén, độ phức tạp của chu trình,

có thế chọn chu trình CO2 transcritical nén 2 cấp làm mát trung gian, có sử dụng hồi nhiệt là chu trình tối uu đế sử dụng trong điều hòa không khí Công thức đơn giản để xác định áp suất cao tối uu ptoiuu của chu trình cũng đã đuợc thiết lập là Ptoiuu = 2.825xtmt- 3.5 (Ptoiuu đơn vị là bar, tml- nhiệt độ môi truờng - đơn vị là °C)

THE ABSTRACT OF THE MASTER'S THESIS

The use of transcritical CO2 cycle for refrigeration, air conditioning, and heat pump applications has been of interest in the world due to the influence of traditional refrigerants on the environment, while C02 is a natural refrigerant, environmentally friendly and has the potential to grow Specifically, the ODP (Ozone Depletion Potential) of CO2 is zero; the GWP (Global Warming Potential) of CO2 is 1, which is

1700 times smaller than R22, 1300 times smaller than R134a, 580 times smaller than R32 and 1890 times smaller than R410A

The thesis focuses on researching and evaluating the effectiveness of the transcritical C02 cycles used in air conditioning technique in civil scope The research results show that it can use improved transcritical CO2 cycles to increase COP for the cycle

In the same operating conditions, transcritical CO2 cycles have a lower COP than the traditional cycle using R22, R32, R410A However, the volume specific refrigeration capacity of transcritical CO2 cycles is much larger than the traditional cycle Under the conditions of the air conditioning system, the volume specific refrigeration capacity of transcritical CO2 cycles is about 3.5 times more than R22 cycle, 2.2 times more than R32 cycle and 2.4 times more than R410A cycle This makes the practical devices of transcritical CO2 cycles more compact

The terminal compression temperature of the basic transcritical CO2 cycle is larger than the cycle with traditional refrigerants, however, using two-stage stage compression with intermediate cooling makes the terminal compression temperature significantly reduced Under survey conditions, the terminal compression temperature

of intermediate cooling cycles is reduced about 15°c

In terms of energy efficiency, terminal compression temperature, complexity of the cycle, the transcritical CO2 cycle with two-stage compression with intermediate cooling and using the internal heat exchanger is optimal for use in air conditioning The simple formula for determining the optimal high pressure (Ptoiuu) of the cycle was established, which is ptoiuu = 2.825xtmt- 3.5 (unit of Ptoiuu is bar, tmt - ambient temperature - has the unit of °C)

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thục và chua từng đuợc ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Nguyễn Trọng Hiếu

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KHÁI NIỆM, TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU sử DỤNG TRONG

LUẬN VAN ' ' 11

CHUƠNG 1: MỞ ĐẦU 14

1.1 Giới thiệu đề tài luận văn 14

1.2

Tính cấp thiết của đề tài luận văn 14

1.3

Mục tiêu của đề tài luận văn 15

1.4 Đối tuợng và phạm vi nghiên cứu 15

1.5 Nội dung và phuơng pháp nghiên cứu 16

CHUƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN cứu 17

2 1 Tổng quan về môi chất lạnh và những vấn đề ảnh môi truờng 17

2.1.1 Phân loại môi chất lạnh 17

2.1.2 Những vấn đề ảnh huởng đến môi truòng của môi chất lạnh 18

2.2 Lịch sử môi chất lạnh CO2 22

2.3 Những tính chất của CO2 24

2.4

Tổng quan các nghiên cứu về chu trình lạnh C02 transcritical 26

2.4.1

Những nghiên cứu trở lại về thiết bị với chu trình CO2 transcritical 26

2.4.2 Những nghiên cứu về ứng dụng chu trình CO2 transcritical trong hệ thống lạnh và điều hòa không khí 27

2.4.3 Một số nghiên cứu về thiết bị trong chu trình CO2 transcritical 31

2.5

Nhận xét chuơng 38

CHUƠNG 3: LÝ THUYẾT VỀ CHU TRÌNH C02 TRANSCRITICAL 39

3.1 Chu trình CO2 transcritical cơ bản 39

3.1.1 Lý thuyết về chu trình CO2 transcritical cơ bản 39

3.1.2 Phân tích khả năng nâng cao hiệu suất của chu trình 41

3.2 Các chu trình CO2 transcritical cải tiến 48

3.2.1 Chu trình CO2 transcritical với thiết bị hồi nhiệt (SCIC) 48

3.2.2 Chu trình CO2 transcritical với thiết bị giãn nở (SCEC) 50

3.2.3 Chu trình CO2 transcritical nén 2 cấp làm mát trung gian, sử dụng thiết bị tiết lưu(DCTC)

51

3.2.4 Chu trình CO2 transcritical nén 2 cấp làm mát trung gian, sử dụng thiết bị

3.2.5 Chu trình CO2 transcritical nén 2 cấp làm mát trung gian, sử dụng thiết bị giãn

nở(DCEC) 54

3.2.6 Chu trình CO2 transcritical nén 2 cấp làm mát trung gian, sử dụng hồi nhiệt và thiết bị giãn nở (DCIEC) 55

3.3 Nhận xét chuông 57

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA CÁC CHU TRÌNH CƠ2 TRANSCRITICAL SỬ DỤNG CHO ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ 58

4.1 Phuong pháp và công cụ nghiên cứu 58

4.1.1 Phuong pháp nghiên cứu 58

4.1.2 Giới thiệu về phần mền EES 58

4.1.3 Xây dựng lưu đồ thuật toán cho chưong trình tính toán các chu trình CƠ2 transcritical 65

4.2 Các giả thiết và điều kiện nghiên cứu 71

4.2.1 Các giả thiết nghiên cứu 71

4.2.2 Các điều kiện nghiên cứu 71

4.3 Khảo sát chu trình CƠ2 transcritical cơ bản 72

4.3.1 Ảnh hưởng của áp suất cao đến COP của chu trình 72

4.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường và nhiệt độ bay hơi đến COPmax của chu trình 74

4.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường và nhiệt độ bay hơi đến áp suất cao tối ưu ' 76

4.4 Đánh giá hiệu quả các chu trình C02 transcritical 78

4.4.1 Xác định COPmax của các chu trình CƠ2 transcritical cải tiến 78

4.4.2 Xác định COP của chu trình lạnh với các môi chất truyền thống 91

4.4.3 Xác định nhiệt độ cuối tầm nén của các chu trình CƠ 2 transcritical và chu trình lạnh với môi chất truyền thống 9

4 4.4.4 Xác định năng suất lạnh riêng và năng suất lạnh riêng thể tích của các chu trình CƠ 2 transcritical và chu trình lạnh với môi chất truyền thống 9

7 4.4.5 Tổng họp các kết quả về COP và so sánh các thông số ở một điều kiện hoạt động cụ thể của các chu trình 1

02 4.5 Một số nhận xét 104 CHƯƠNG 5: KHẢO SÁT CHU TRÌNH CƠ2 TRANSCRITICAL NÉN HAI CẤP LÀM MÁT TRUNG GIAN, sủ DỤNG THIẾT BỊ HỒI NHIỆT 107

5.1 Ảnh hưởng của các thông số vận hành đến COP của chu trình DCIC 107

5.1.1 Ảnh hưởng của áp suất trung gian đến COP của chu trình 107

5.1.2 Ảnh hưởng của độ quá nhiệt sau thiết bị hồi nhiệt đến COPmax của chu trình 108 5.1.3 Ảnh hưởng của áp suất cao đến COP của chu trình 110

5.2 Ảnh hưởng của các thông số vận hành đến áp suất cao tối ưu và thành lập công thức tính áp suất cao tối ưu của chu trình DCIC 112

5.2.1 Ảnh hưởng St, tmt, tbh đến Ptoiuu 112

5.2.2 Thành lập công thức tính Ptoiuu 114

5.3 Tính toán các thông số và biểu diễn chu trình DCIC trên đồ thị p-h 116

5.4 Nhận xét 118

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 120

6.1 Kết luận 120

6.2 Những hạn chế và hướng phát triển của đề tài 121

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 123

PHỤ LỤC 126

DANH MỤC CÁC KHÁI NIỆM, TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU sử DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Bảng 0.1: Danh mục các khái niệm

1 Điểm tới hạn

(critical point)

Điểm tới hạn (hay trạng thái tới hạn - critical State) của một chất là điểm giao nhau của 2 đường: lỏng sôi (x=0) và đường hơi bão hòa khô (x=l) của chất đó

2 Trạng thái siêu tới

Trạng thái có nhiệt độ hoặc áp suất suất nhỏ hon nhiệt độ

và áp suất của điểm tới hạn

4 Chu trình C02

transcritical

Chu trình ngược chiều hoạt động với môi chất C02, trong

đó môi chất đi qua các trạng thái dưới tới hạn và siêu tới hạn

5

Nhiệt độ giả tới

hạn (pseudocritical

7 Áp suất thấp Áp suất phần hạ áp của chu trình, hay áp áp suất môi chất đầu hút của nén (có giả thiết bỏ qua tổn thất áp suất trong

thiết bị trao đổi nhiệt của chu trĩnh)

8

Áp suất trung gian

Áp suất môi chất giữa hai cấp nén trong chu trình nén 2

cấp

9 Áp suất cao tối ưu Áp suất phần cao áp mà nếu chu trình hoạt động với áp

suất đó, COP của chu trình đạt giá trị lớn nhất

1 0 Áp suất trung gian

13

Thiết bị hồi nhiệt

hay thiết bị trao

đối nhiệt bên trong

(internal heat

exchanger

Là thiết bị trao đối nhiệt giữa môi chất nóng trước khi tiết lưu (hay giãn nở) và môi chất lạnh sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi (trước khu hút vào máy nén)

3 SCEC Chu trình CO2 transcritical với thiết bị giãn nở (Single

Compression with Expander Cycle)

Chu trình CO2 transcritical nén 2 cấp làm mát trung gian,

sử dụng thiết bị tiết luu (Double Compression with Throttle valve Cycle)

Chu trình CO2 transcritical nén 2 cấp làm mát trung gian,

sử dụng thiết bị hồi nhiệt (Double Compression with Internal heat exchanger Cycle)

Chu trình CO2 transcritical nén 2 cap làm mát trung gian,

sử dụng thiết bị giãn nở (Double Compression with Expander Cycle)

Chu trình CO2 transcritical nén 2 cấp làm mát trung gian,

sử dụng hồi nhiệt và thiết bị giãn nở (Double Compression with Internal heat exchanger and Expander Cycle)

8 R22C Chu trình lạnh với môi chất là R22

9 R32C Chu trình lạnh với môi chất là R32

1 0 R410AC Chu trĩnh lạnh với môi chất là R410A

1 1 BH Thiết bị bay hơi

1 2 GC Thiết bị gas cooler

13 GN Thiết bị giãn nở

14 IHE Thiết bị hồi nhiệt (Internal heat exchanger)

15 MNHA Phần hạ áp của máy nén 2 cấp

16 MNCA Phần cao áp của máy nén 2 cấp

17 MTG Thiết bị làm mát trung gian

18 NT Thiết bị ngung tụ

1 2 Aq Độ chênh lệch năng suất lạnh riêng [kj/kg]

13 Ah Độ chênh lệch enthalpy riêng [kj/kg]

14 q Hiệu suất đẳng entropy

Các chỉ số dưới

3 com,in Đầu vào của máy nén

4 com,out Đầu ra của máy nén

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu đề tài luận văn

Luận văn này nghiên cứu về đề tài có tiêu đề là “Đánh giá hiệu quả của chu trình C02 transcritical sử dụng trong kỹ thuật điều hòa không khí” Chu trình CƠ2 transcritical

là chu trình nguợc chiều, làm việc với các quá trình duới và trên trạng thái tới hạn của C02

Nguyên lý của chu trình CO 2 transcritical nguợc chiều tuông tự nhu chu trình lạnh

duới tới hạn, gồm các quá trình bay hơi ở thiết bị bay hơi, nén ở máy nén, tiết luu ở

thiết bị tiết luu Tuy nhiên sụ khác nhau của 2 loại chu trình này là với chu trình C0 2

transcritical, quá trình nén sẽ chuyển môi chất từ trạng thái duới tới hạn lên trạng thái siêu tới hạn, môi chất sau khi ra khỏi máy nén không thục hiện quá trình ngung tụ nhu thông thuờng, mà thục hiện quá trình thải nhiệt cho môi truờng ở trạng thái trên tới hạn

tại thiết bị mới gọi là gas cooler Thông thuờng, quá trình tiết luu trong chu trình CO 2

transcritical sẽ chuyển môi chất từ trạng thái siêu tới hạn về trạng thái duới tới hạn Chu trình C02 transcritical có thể ứng dụng trong hệ thống thiết bị điều hòa không khí, làm lạnh và bơm nhiệt Trong phạm vi của đề tài, chỉ nghiên cứu đánh giá ứng dụng chu trình CO2 transcritical trong lĩnh vục điều hòa không khí dân dụng cỡ vừa và nhỏ

1.2 Tính cấp thiết của đề tài luận văn

Nhu ta thấy, ngày nay các ứng dụng về làm lạnh, điều hòa không khí đã trở thành những phuơng tiện không thế thiếu trong cuộc sống con nguời Các hệ thống thiết bị này thuờng sử môi chất lạnh tụ nhiên là NH3 và phố biến hơn là các môi chất lạnh freon (R22, R134a, R410A ) Tuy nhiên, NH3 là môi chất độc hại nên chỉ đuợc sử dụng ở một số ứng dụng làm lạnh, các môi chất lạnh freon tuy cũng có những uu điếm về mặt tính chất nhiệt động nhung những chất này thuờng gây ra ảnh huởng không tốt với môi truờng, gây phá hủy tang ozone hay hiện tuợng hiệu ứng nhà kính

Trong khi đó, C02 là môi chất lạnh tự nhiên, không độc hại đối với con người cũng như thân thiện với môi trường Trên thế giới, những nghiên cứu về thiết bị chu trình C02 transcritical đã và vẫn đang tiếp diễn, trong đó những thiết bị ứng dụng chu trình này sử dụng trong lĩnh vực bơm nhiệt, điều hòa ô tô, làm lạnh đã được nghiên cứu nhiều cũng như đã được thương mại hóa trên thị trường Tuy nhiên những nghiên cứu

về lĩnh vực điều hòa không khí tại chỗ sử dụng chu trình CO2 transcritical còn khá khiêm tốn

Đe tài luận văn tập trung vào việc đánh giá hiệu quả chu trình CO2 transcitical ứng dụng trong lĩnh vực điều hòa không khí dân dụng là cấp thiết trong việc tìm ra giải pháp cho vấn đề ảnh hưởng đến môi trường của các môi chất lạnh truyền thống, cũng như xem xét, đánh giá hiệu quả của chu trình này trong điều kiện hoạt động của hệ thống điều hòa không khí cỡ nhỏ và vừa Với những tổng họp, nghiên cứu và đánh giá trong luận văn có thể sẽ thúc đẩy hơn nữa những quan tâm trong nước đến vấn đề mới này, cũng như đưa ra những cơ sở lý thuyết cho những nghiên cứu thực nghiệm và tiến tới ứng dụng công nghệ vào cuộc sống

1.3 Mục tiêu của đề tài luận văn

Đánh giá hiệu quả về các mặt: hiệu quả năng lượng thể hiện qua chỉ số COP, đặc điểm của nhiệt độ môi chất cuối tầm nén, năng suất lạnh riêng thể tích, tính phức tạp của các chu trình CO2 transcritical sử dụng trong lĩnh vực điều hòa không khí dân dụng

cỡ vừa và nhỏ

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các chu trình CO2 transcritical (cơ bản và cải tiến) có giá trị sử dụng trong điều hòa không khí; chu trĩnh với một số môi chất lạnh truyền thống sử dụng trong điều hòa không khí

- Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Phạm vi nghiên cứu là các chu trĩnh hoạt động trong các điều kiện về nhiệt độ môi trường, nhiệt độ bay hơi môi chất lạnh phù hợp với ứng dụng điều hòa không khí; giá trị áp suất vận hành và một số thông số khác cũng được giới hạn cho phù họp với hệ thống thực tế

1.5 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

- Những nội dung chính thực hiện để đạt được mục tiêu luận văn:

+ Hệ thống lại cơ sở lý thuyết về chu trình C02 transcritical cơ bản và những chu trình C02 transcritical cải tiến có giá trị ứng dụng trong điều hòa không khí

+ Khảo sát các chu trình trong những điều kiện hoạt động khác nhau nhằm đưa ra so sánh về hiệu quả giữa các chu trình CO2 transcritical cũng như so sánh với chu trình dùng môi chất lạnh truyền thống

+ Lựa chọn một chu trình tối ưu (xét về mặt hiệu quả năng lượng và độ phức tạp của thiết bị và một vài đặc điểm khác) và khảo sát hoạt động của chu trình này trong mối tương quan giữa các thông số; công thức xác định áp suất cao tối ưu đơn giản sẽ được thiết lập cho chu trình này

+ Ket luận về hiệu quả của việc ứng dụng chu trình CO2 transcritical trong kỹ thuật điều hòa không khí

- Phương pháp nghiên cứu: Dựa trên các kiến thức nhiệt động về chu trình ngược chiều, chu trình C02 transcritical, sử dụng công cụ là phần mền EES để viết chương trình tính toán, khảo sát các chu trình (xem mục 4.1, chương 4)

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN cứu 2.1 Tổng quan về môi chất lạnh và những vấn đề ảnh môi trường

2.1.1 Phân loại môi chất lạnh

a Môi chất lạnh loại CFC:

CFC là những chất được dẫn xuất từ các Hydrocarbons, ở đây tất cả các nguyên

tử hydrogen trong Hydrocarbons đều được thay thế bằng các nguyên tử chlorine và fluorine Người ta gọi các chat CFC là Fully Halogenated Chlorofluorocarbons hay ngắn gọn hơn là Chlorofluorocarbons

Một số môi chất lạnh CFC từng được sử dụng rộng rãi như: RI 1, RI 2, ngoài ra,

ở một số ứng dụng người ta còn sử dụng R13, R14

b Môi chất lạnh loại HCFC:

HCFC cũng là dẫn xuất từ các hydrocarbons, nhưng không giống như CFC, với môi chất HCFC, chỉ một số nguyên tử hydrogen trong các hydrocarbons được thay thế bằng các nguyên tử chlorine và fluorine Các môi chất loại này được gọi là Not Fully Halogenated Hydrocarbons, hay van tat là Hydrochlorofluorocarbons

Các môi chất lạnh HCFC có chứa đầy đủ các nguyên tử hydrogen, chlorine, fluorine và carbon So với các chat CFC, môi chat lạnh loại HCFC có độ bền vững kém hơn, thể hiện qua thời gian tác động Các nghiên cứu cho thấy thời gian tác động của các chat HCFC chỉ khoảng từ 2 năm đến 22 năm

Trong kỹ thuật lạnh và điều hòa không khí, chat HCFC được dùng nhiều nhất là R22

c Môi chất lạnh loại HFC:

HFC cũng là chất dẫn xuất từ các hydrocarbons, các chất này chỉ chứa các nguyên

tử hydrogen, fluorine và carbon Tên đầy đủ của các chat HFC là Hydro fluorocarbons Hiện nay một trong số những chat HFC đang được sử dụng phổ biến là R134a

d Môi chất lanh loai hòa trôn:

Môi chất lạnh hòa trộn là những môi chất được tạo thành từ việc hòa trộn những đon chất theo tỉ lệ thích hợp Các đơn chất được dùng để hòa trộn có thể là các chất CFC, HCFC, HFC hoặc một số chất khí có nguồn gốc từ thiên nhiên

Người ta phân chia chất hòa trộn ra làm 2 loại:

- Loại có chứa chlorine: được cấu tạo từ một số thành phần, trong đó, thành phần chủ chốt là R22

- Loại không chứa chlorine: các thành phần dùng để hòa trộn thường là các chất HFC

Khi hòa trộn các đơn chất, có thể tạo thành các môi chất lạnh hòa trộn có tính chất

“đồng sôi” hay “không đồng sôi” Các chất đồng sôi thường được ký hiệu bắt đầu bằng

số 5 (R500, R502, R503, ), các chất không đồng sôi thường được ký hiệu bắt đầu bằng

số 4 (R401, R404, )

e Môi chất lạnh loại Halon:

Môi chất lạnh loại Halon có chứa các nguyên tử bromine, fluorine và carbon, người ta gọi môi chất lạnh loại Halon là các chat BFC Một số môi chất lạnh BFC như: R13B1,R12B1

f Môi chất lạnh loại thiên nhiên:

Đây là các môi chất lạnh có nguồn gốc từ thiên nhiên Một số môi chất lạnh loại này như: R290 (Propane, C3FL), R600 (n-Butan C4H10), R600a (Isobutane, C4H10), R717 (Ammonia, NH3), không khí, CO2, nước và hơi nước

2.1.2 Những vấn đề ảnh hưởng đến môi trường của môi chất lạnh

2 1 2 1 Những vấn đề về môi trường liên quan đến môi chất lạnh

a Vấn đề suy giảm tầng ozone:

Sự suy giảm tang ozone là hiện tượng giảm lượng ozone (O3) trong tầng bĩnh lưu Như đã biết, lượng ozone tồn tại trong khí quyến được chia làm 3 thành phần: Thảnh phần thứ nhất lơ lững trong bầu khí quyến sát bề mặt trái đất, tuối thọ của lớp ozone này rất ngắn, khoảng chừng vài ngày Thảnh phần thứ hai nằm cao hơn, trong vùng không gian từ bề mặt đất đến độ cao cách mặt đất khoảng 1 0km (vùng

đối lưu) Lượng ozone thuộc 2 thành phần này được hình thành chủ yếu do bức xạ mặt trời làm phân hủy một số chất khí trong thành phần của khói thải, tổng lượng ozone của

2 thành phần này là không nhiều so với lượng ozone toàn bộ Thành phần thứ ba được xem là thành phần chủ yếu và thường tập trung ở bầu khí quyển ở độ cao từ hon 10km đến 60km (vùng bình lưu) Nguyên nhân hình thành ozone ở vùng này chủ yếu là do bức xạ mặt trời đến các phân tử oxygen

Do đặc tính hấp thụ mạnh các tia cực tím (ƯV), tang ozone được xem như là tấm

lá chắn ngăn chặn các tia bức xạ mặt trời không có lợi cho sức khỏe của con người và các sinh vật khác

Tang ozone có vai trò quan trọng đối với sự sống trên Trái đất, tuy nhiên, ngày nay đã xuất hiện thêm những nguyên nhân gây phân hủy ozone bên cạnh những nguyên nhân tự nhiên, những nguyên nhân mới này hoàn toàn thuộc về con người, do hoạt động của con người Một trong những nguyên nhân quan trọng đến từ việc sử dụng các môi chất lạnh Freon làm phát sinh ra các chất khí có chứa fluorine có khả năng mạnh trong việc phá hủy tang ozone Đe đánh giá mức độ phá hủy tầng ozone của các chất, người

ta đặt ra chỉ số ODP (Ozone Depletion Potential)

Do đó, việc giảm thiểu những nguyên nhân gây phá hủy tầng ozone được xem là việc làm cấp bách và được quan tâm bởi nhiều quốc gia trên Thế giới, trong đó cần thiết phải tìm kiếm những môi chất lạnh mới, thân thiện với môi trường để thay thế cho các môi chất có tác dụng phá hủy tang ozone

b Hiệu ứng nhà kính và vấn đề gia tăng nhiệt độ của bầu khí quyển:

Hiệu ứng nhà kính là hiện tượng các tia bức xạ mặt trời với bước sóng ngắn có thế xuyên qua 1 tấm kính trong suốt, những vật ở bên dưới tấm kính này được hấp thụ các tia bức xạ sóng ngắn của mặt trời và phát ra các tia bức xạ sóng dài trở lại tấm kính, tuy nhiên với đặc điếm của tấm kính là chỉ cho các tia bức xạ sóng ngắn xuyên qua và phản xạ trở lại các tia bức xạ sóng dài, kết quả là nhiệt lượng ở vùng không gian bên giới tấm kính được giữ lại và làm gia tăng nhiệt độ ở đây

Trên quy mô trái đất, một số thành trong bầu khí quyển (như C02, hơi nước) có tác dụng tạo thành một lớp kính trong suốt, qua đó, các tia bức xạ sóng ngắn của

mặt trời có thể xuyên qua để đi đến bề mặt trái đất và các tia bức xạ sóng dài từ bề mặt trái đất sẽ đuợc phản xạ trở lại Ở điều kiện cân bằng sinh thái, nhờ hiện tuợng hiệu ứng nhà kính mà nhiệt độ trung bình trên trái đất đuợc duy trì khoảng 15°c, đây là mức nhiệt độ thích hợp cho sự tồn tại và phát triển của các sinh vật trên trái đất Tuy nhiên, ngày nay, do quá trĩnh công nghiệp hóa và các quá trình khác liên quan đến hoạt động của con nguời, làm gia tăng đáng kể những chất gây ra hiệu ứng nhà trinh trong khí quyển, làm tăng mức độ hiệu ứng nhà kính, tăng nhiệt độ của bầu khí quyển Sự gia tăng nhiệt độ này kéo theo những biến đổi khí hậu và gây ra những thiên tai không luờng truớc đuợc Đe đánh giá mức độ hiệu ứng nhà kính của mỗi chất khí, nguời ta đặt

ra chỉ so GWP (Global Warming Potential)

2 1 2 2 Ảnh hưởng của các môi chất lạnh đến môi trường

- Ảnh hưởng phá hủy tầng ozone:

Các môi chất lạnh có chứa clourine đều có ảnh hưởng pháp hủy tang ozone, đặc biệt các môi chất lạnh CFC và Halon có ảnh hưởng phá hủy tang ozone rất cao, chúng

có chỉ số ODP rất lớn

Do môi chất lạnh HCFC có độ bền vững kém, hầu hết các chất HCFC đều bị phân hủy trước khi đến được vùng bĩnh lưu của khí quyển, do đó, mức độ phá hủy tang ozone của HCFC thấp hơn nhiều so với các chat CFC

Với môi chat HFC, do không có chứa clourine nên chỉ số ODP của các chất HFC bằng không, các chất này không tham gia vào việc phá hủy tang ozone

- Ảnh hưởng đến hiệu ứng nhà kính:

Hầu hết các môi chất lạnh freon đầu góp phần vào việc gây ra hiệu ứng nhả kính lảm gia tăng nhiệt độ của trái đất, đặc biệt môi chất lạnh CFC ảnh hưởng rất lớn đối với hiện tượng hiệu ứng nhà kính

Đe so sánh mức độ ảnh hưởng của một số môi chất lạnh đến môi trường, có thế dựa vào chỉ số ODP và GWP của các môi chất được trình bày trong bảng 2.1 Lưu ý, các chỉ số lấy chuẩn theo ODP của RI 1 bằng 1 và GWP của CO2 bằng 1

Bảng 2.1 Chỉ sổ ODP và GWP của một sổ môi chất lạnh [3]

nước đang phát triển, các chất HCFC được quy định loại bỏ vào 1/1/2040

Nghị định thư Montreal cũng quy định kiểm soát và loại trừ các môi chất lạnh Halon, kế hoạch loại trừ này cũng gần giống như kế hoạch loại trừ các chat CFC Việc tim kiếm và nghiên cứu môi chất lạnh mới để thay thế cho các môi chất lạnh

bị loại trừ đã và vẫn đang được thực hiện Một số môi chất lạnh thường dùng để thay thế như:

- R123 sử dụng để thay thế cho CFC-11, tuy nhiên HCFC-123 này là chất thay thế có tính chất quá độ, bản thân chất này cũng bị cấm sản xuất hoàn toàn vào năm

ra là môi chất lạnh rất có triển vọng trong việc sử dụng để bảo vệ môi trường

2.2 Lịch sử môi chất lạnh CO 2

CO2 không phải là một môi chất lạnh mới Trong những thập niên đầu của thế kỷ

20, CO2 được sử dụng rộng rãi như là một môi chất lạnh, chủ yếu trong các hệ thống thiết bị trên tàu trên biến, ngoài ra cũng được sử dụng trong những ứng dụng làm lạnh

và điều hòa không khí tại chỗ

Khái niệm hệ thống lạnh nén hơi CO2 được đề xuất đầu tiên bởi Alexander Catlin Twining vào năm 1850, nhưng C02 thực tế được sử dụng đầu tiên trong hệ thống nén hơi để cấp đông bởi Thaddeus Lowe vào năm 1866 Ở Brucevick, Đức,

Franz Windhausen đã thiết kế máy nén C02 Sau đó, công ty British J&E Hall đã mua bằng sáng chế đó, phát triển và bắt đầu sản xuất máy nén C02 vào năm 1890 Sản phẩm đầu tiên đuợc lắp đặt thành công trên một con tàu buôn của Anh có tên là Highland Chief Theo thống kê, vào năm 1900, 37% những con tàu trên thế giới sử dụng làm lạnh bằng không khí, 37% sử dụng sự làm lạnh hấp thụ ammonia và 25 % còn lại đã sử dụng lạnh nén hơi C02 Sau chiến tranh Thế giới I, Voorhees đã phát triển hệ thống lạnh CO2

đa mục đích, và Linde cũng áp dụng máy nén 2 cấp C02 Vào năm 1930, 80% con tàu

đã sử dụng lạnh nén hơi CO2 và 20% sử dụng lạnh hấp thụ ammonia Với hệ thống điều hòa không khí, đến gần năm 1919, máy nén CO2 mới bắt đầu đuợc sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, do trình độ kỹ thuật thấp vào thời gian này, nhiệt độ tới hạn của CO2

thấp (31.1°C), áp suất tới hạn của CO2 cao (73.8bar) và môi truờng làm mát của nó thuờng là nuớc ngầm và nuớc biển có nhiệt độ thấp, hệ thống lạnh CO2 chỉ sử dụng chu trình duới tới hạn, dẫn đến hiệu suất làm lạnh thấp Vào năm 1928, khi Midgley và cộng

sự giới thiệu những môi chất lạnh CFC nhu RI 2, việc sử dụng CO2 cho làm lạnh đuợc thay thế bởi những môi chất lạnh tổng hợp RI2 và Rll đuợc giới thiệu đầu tiên cho việc

sử dụng thuơng mại lần luợt vào vào năm 1931 và 1932 Chúng không độc hại, không

dễ cháy và vận hành hiệu quả Những môi chất lạnh tổng họp đã bắt đầu thay thế C02

và trở nên chiếm lĩnh trong thị truờng vào những năm 1950 và 1960

Sụ quan tâm vào CO2 đã bắt đầu vào những năm 1990 một phần cũng bởi sụ rút lui của những môi chất lạnh phá hủy tang Ozone Gustav Lorentzen từ Na Uy đã quan tâm tới CO2 và xem xét nó là một môi chất lạnh không thế thay the Lorentzen đã công

bố một bằng sáng chế về hệ thống điều hòa không khí C02 transcritical vào năm 1990 Chu trình transcritical của Lorentzen giải quyết các vấn đề về năng suất và tốn thất hiệu suất mà các hệ thống duới tới hạn gặp phải khi hoạt động với nhiệt độ thải nhiệt gần điếm nhiệt độ tới hạn Những cải tiến công nghệ và sản xuất làm cho nó có thế đạt đuợc

áp suất cao cần thiết cho sụ vận hành xuyên qua tới hạn (transcritical) Một trong những

hệ thống CO2 transcritical đầu tiên là một mô hình của hệ thống điều hòa không khí ô

tô đuợc thiết kế và thử nghiệm bởi Lorentzen và

Pettersen Hệ thống này đã được báo cáo thêm bởi Pettersen Hiệu quả của nó là tương

tự như của hệ thống RI2, điều này khuyến khích sự phát triển hơn nữa của hệ thống

CO2 transcritical

Việc nghiên cứu hệ thống lạnh, điều hòa không khí và bơm nhiệt CO2 vẫn đang tiếp diễn, trong khi một số hệ thống CO2 đã thương mại hóa thành công về 3 lĩnh vực như sau: Lĩnh vực đầu tiên là ứng dụng trong điều hòa không khí ô tô, lĩnh vực thứ hai

là trong bơm nhiệt sản xuất nước nóng Và lĩnh vực thứ 3 là ứng dụng cho hệ thống lạnh thương mại [4]

2.3 Những tính chất của CO 2

CO2 là môi chất lạnh tự nhiên, có tính chất khác với các môi chất lạnh thông thường CO2 không gây phá hủy tầng Ozone và chỉ số GWP (chỉ số để đánh giá mức

độ gây ra hiệu ứng nhà kính) không đáng kể

Vĩ nhiệt ẩn hóa hơi của C02 lớn và năng suất lạnh thể tích của CO2 khá cao, kích

cỡ của máy nén và những thành phần khác có thể nhỏ hơn Độ nhớt hoạt động của CO2

thấp, chỉ bằng 5.2% của NH3, 23.8% R12 ở 0°c [4], điều này dẫn đến, thậm chí ở một lưu lượng khá thấp, nó có thể dễ dàng tạo ra dòng chảy rối, vĩ thế cho hiệu quả truyền nhiệt tốt Vĩ hệ số dẫn nhiệt của CO2 cao, nhiệt trở nhỏ và tỉ số giữa khối lượng riêng lỏng và khối lượng riêng hơi nhỏ, sau khi qua tiết lưu, sự phân bố của môi chất lạnh ở thiết bị trao đổi nhiệt (bay hơi) là đồng đều, và tất cả các ống có thế sử dụng một cách hiệu quả Ket quả là có thế phát triển đáng kế đặc tính truyền nhiệt và truyền chất, giảm kích cỡ đường ống và thiết bị trao đối nhiệt, vĩ thế toàn bộ hệ thống rất nhỏ gọn

Áp suất và nhiệt độ tại điểm tới hạn của CO2 lần lượt là 73.8 bar (7.38MPa) và 31.1 °c, xem biểu đồ pha ở hình 2.1 CO2 siêu tới hạn là một loại lưu chất có khối lượng riêng cao và có đặc tính kép của cả lỏng và khí, cụ thế là khối lượng riêng của nó cao hơn khối lượng riêng của gas và gần với khối lượng riêng của lỏng Độ nhớt của nó

là tương tự như độ nhớt của gas nhưng nhỏ hơn độ nhớt của lỏng Hệ số khuyết tán của

nó gần với gas nhưng lớn hơn nhiều so với lỏng, vĩ thế nó có đặc tính truyền dẫn (transmission) tốt

Một trong những tính chất quan trọng nhất của chất siêu tới hạn ở gần điểm tới hạn là những tính chất của nó thay đổi nhanh chóng theo nhiệt độ trong một quá trình đẳng áp, đặc biệt là gần nhiệt độ “giả tới hạn” (pseudocritical) (xem minh họa ở hĩnh 2.2) Nhiệt độ giả tới hạn là nhiệt độ mà tại đó nhiệt dung riêng của môi chất đạt giá trị lớn nhất ứng với áp suất đã cho

* Những tính chất CO 2 siêu tới hạn có lẫn chất bôi trơn PAG:

Những chất bôi trơn có vai trò trong việc bôi trơn, giảm tiếng ồn máy nén, làm kín và làm mát bề mặt ma sát trong hệ thống lạnh và có tác động đáng kể đến hiệu suất làm việc và tuổi thọ thiết bị làm mát Nói một cách thông thuờng, chất bôi trơn cần tính bền nhiệt, tính bền về hóa học tốt, tính dễ chảy vĩ nhiệt độ thấp và độ nhớt thích họp Thí nghiệm của Falex cho thấy rằng, xếp từ tốt đến xấu, hiệu quả của chất bôi trơn có lẫn 10% C02 là: PAG > polyol ester (POE) > alkylbenzene > polyalphaolefin (PAO)

Vĩ thế PAG/CO2 có hiệu quả bôi trơn tốt nhất và độ hao mòn do sử dụng thấp nhất

2.4 Tổng quan các nghiên cứu về chu trình lạnh CO 2 transcritical

2.4.1 Những nghiên cứu trở lại về thiết bị với chu trình CO 2 transcritical

Nhu đã trình bày ở trên, hệ thống thiết bị với chu trĩnh nén hơi CO2 transcitical đuợc quan tâm nghiên cứu trở lại từ đầu những năm 90 của thế kỷ 20

Vào năm 1990, Gustav Lorentzen (Na Uy) đã công bố bằng sáng chế “Thiết bị chu trình nén hơi transcritical” [5] Sáng chế này liên quan đến việc điều khiển năng suất cho những thiết bị với chu trình nén hơi, hoạt động theo chu trình transcritical gồm các thiết bị làm lạnh, điều hòa không khí, bơm nhiệt Với việc đua ra những ý tuởng và

mô hĩnh để điều khiển năng suất lạnh của thiết bị thông qua việc điều chỉnh áp suất phần cao áp hoặc/và nhiệt độ thải nhiệt, sáng chế đã khắc phục những nhuợc điếm trong việc điều khiến năng suất của những thiết bị với chu trình nén hơi truớc đó

Năm 1992, Lorentzen và Pettersen đã công bố những kết quả nghiên cứu thục nghiệm về hệ thống C02 đầu tiên cho điều hòa không khí ô tô [6] Những kết quả đã cho thấy CO2 là môi chất lạnh có thế sử dụng cho điều hòa không khí ô tô, giải quyết những vấn đề về môi truờng mà các hệ thống với môi chất lạnh CFC gặp phải

Mô hình điều hòa không khí ô tô nén hơi CO2 transciritical tiếp tục đuợc xây dụng

và thí nghiệm bởi Pettersen [7] vào năm 1994 Nghiên cứu cho thấy khả năng cạnh tranh cao giữa hệ thống CO2 với các hệ thống hiện tại sử dụng môi chat CFC-

12 và HFC-134a về hiệu suất, năng suất, chi phí, khối luợng, kích thuớc của hệ thống; khẳng định môi chất lạnh CO2 là giải pháp cho các vấn đề liên quan đến điều hòa không khí ô tô và những vấn đề môi truờng của những môi chất lạnh mới

Sau những công bố của Lorentzen và Pettersen, những nghiên cứu về thiết bị với chu trình CO2 transcritical vẫn tiếp đuợc đuợc thực hiện ở 3 lĩnh vực chính: làm lạnh, điều hòa không khí và bom nhiệt

2.4.2 Những nghiên cứu về ứng dụng chu trình CO 2 transcritical trong hệ thống lạnh và điều hòa không khí

Bên cạnh những nghiên cứu của Lorentzen và Pettersen đuợc mô tả ở trên, J.Kohler và cộng sự, những nhà nghiên cứu ở đại học Kassel của Đức, đã tiến hành nghiên cứu về những ứng dụng của CO2 trong điều hòa không khí và bơm nhiệt xe hơi [8] Những nghiên cứu chỉ ra rằng về khối luợng thực tế, độ an toàn, mức độ làm kín, hiệu suất lạnh, hệ thống chu trình C02 transcritical có thể đáng tin cậy để sử dụng cho điều hòa không khí của các phuơng tiện giao thông

Brown J s và cộng sự, năm 2000, đã thực hiện những phân tích so sánh các hệ thống điều hòa ô tô hoạt động với CO2 và R134a [9] Nghiên cứu đã đánh giá những hiệu quả của các hệ thống điều hòa không khí ô tô với môi chat CO2 và R134a, sử dụng

mô hình mô phỏng CYCLE-1 l.UA và CYCLE-11 UA-C02 Trong nghiên cứu này, hệ thống R134a có cấu hình theo nhà sản xuất hiện tại, gồm máy nén, giàn ngung, thiết bị tiết luu, và giàn bay hơi, trong khi đó hệ thống CO2 đã đuợc trang bị thêm một thiết bị hồi nhiệt - trao đối nhiệt đuờng lỏng/đuờng hút (liquid-line/suction line heat exchanger)

Sụ phân tích cho thấy, hệ thống R134a có COP tốt hơn hệ thống CO2 (Sụ chênh lệch COP của 2 hệ thống phụ thuộc vào tốc độ của máy nén (năng suất hệ thống) và nhiệt

độ môi truờng

C.W.Bullard và cộng sụ, những nhà nghiên cứu ở trung tâm Air Condition Refrigeration Center (ACRC) của đại học Illinois University (UIUC) đã nghiên cứu về vai trò của thiết bị hồi nhiệt (suction line heat exchanger) [10] Nghiên cứu cho thấy khả năng đế làm tăng năng suất và hiệu suất năng luợng của hệ thống R744 (CO2) cho điều hòa không khí ở xe hơi bằng cách sử dụng một thiết bị hồi nhiệt

Bốn cấu hình của hệ thống được xây dựng cho việc đánh giá gồm: một cấu hình không

có thiết bị hồi nhiệt, 3 cấu hình có thiết bị hồi nhiệt đồng trục với chiều dài là l.Om, 1.5m và 2m, các bộ trao đổi nhiệt hồi nhiệt đều được làm từ các ống giống nhau Những kết quả kiểm tra cho thấy năng suất lạnh và COP có thể tăng lên 25% Những kết quả nghiên cứu cũng cho thấy thiết bị trao đổi nhiệt đường hút có thể làm tăng nhiệt độ xả của máy nén, làm ảnh hưởng đến độ tin cậy làm việc của máy nén

Nghiên cứu về áp suất tối uu:

Năm 1998, Freidrich Kauf (Đức) nghiên cứu về áp suất vận hành tối ưu của chu trình lạnh CO2 transcritical [1 1] Với chu trình CO2 transcritical gồm các thiết bị chính: máy nén, thiết bị gas cooler, thiết bị giãn nở, thiết bị bay hơi, Kauf đã xác định sự tồn tại của giá trị COP lớn nhất của hệ thống, những điều kiện vận hành và điều kiện môi trường COP bị ảnh hưởng chính bởi áp suất cao của hệ thống Áp suất cao tối ưu (ứng với giá trị lớn nhất của COP) theo những điều điều kiện hoạt động khác nhau được xác định một cách dễ dàng bằng mô hĩnh mô phỏng, theo đó, áp suất cao tối ưu là một hàm

số theo nhiệt độ môi chất lạnh đầu ra của thiết bị gas cooler Một hàm số của áp suất cao có thể được xác định, sử dụng để điều chỉnh hệ hống hoạt động với giá trị COP chênh lệch so với giá trị COP lớn nhất nhỏ hơn 5.8%

Năm 1999, S.M Liao ở Đại học Khoa học kỹ thuật Hồng Công và cộng sự đã xác định biếu thức của áp suất cao tối ưu trong chu trình CO2 transcritical [1 2] Phương pháp mô phỏng được sử dụng trong nghiên cứu này, sử dụng phần mềm EES và Refprop

đế xây dựng chương trình mô phỏng Hệ thống chu trĩnh CO2 transcritical dùng trong nghiên cứu gồm các thành chính giống như đề xuất trong bằng sáng chế của Gustav Lorentzen (1990), gồm máy nén, thiết bị trao đối nhiệt ở phần áp suất cao (gas cooler), thiết bị hồi nhiệt (internal heat exchanger), thiết bị tiết lưu, thiết bị bay hơi và bĩnh chứa sau thiết bị bay hơi Cũng như Kauf, Liao khắng định COP của chu trĩnh CO2

transcritical thay đối theo áp cao, giá trị COP cực đại xuất hiện tại một giá trị áp suất cao tối ưu Ngoài ra, nghiên cứu cho thấy áp suất cao tối ưu chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt

độ đầu ra của thiết bị gas cooler, nhiệt độ

bay hơi và hiệu suất máy nén Dựa theo những mô phỏng, biểu thức xác định áp suất thải nhiệt tối ưu theo các thông số nhu nhiệt độ đầu ra gas cooler, nhiệt độ bay hơi đuợc xây dựng, với độ sai lệch so với những kết quả mô phỏng nhỏ hơn 1%

Năm 2005, Ying Chen và Junjie Gu ở đại học Carleton University, Canada, đã nghiên cứu về áp suất cao tối ưu của hệ thống lạnh CO2 transcritical với thiết bị trao hồi nhiệt (internal heat exchanger-IHX) [13] Nghiên cứu đã đề xuất công thức mới để xác định hiệu quả của thiết bị IHX dựa trên độ chênh lệch enthalpy Quan hệ giữa áp suất cao tối uu và các thông số khác của hệ thống nhu nhiệt độ môi truờng, nhiệt độ bay hơi, hiệu quả của thiết bị IHX đuợc phân tích, trong đó nghiên cứu xác định sự ảnh huởng không đáng kể của nhiệt độ bay hơi đến áp suất cao tối ưu Cho việc nghiên cứu

mô phỏng ở đây, một chuơng trình đuợc thực hiện trên Mathlap theo những phuơng trĩnh chủ đạo của hệ thống, trong khi đó những thông số nhiệt động cần thiết của CO2

đuợc lấy từ phần mềm CoolPack ver 1.46 (đuợc xây dựng bởi phòng Kỹ thuật cơ khí, Đại học Kỹ thuật Đan Mạch) Dựa trên những dữ liệu mô phỏng, công thức xác định

áp suất cao tối ưu đuợc xây dựng, công thức này có thể sử dụng để xác định những giá trị áp suất cao tối uu theo mô phỏng với độ sai lệch nhỏ hơn 3.6% trong mọi điều kiện

và nhỏ hơn 0.94% khi nhiệt độ bay hơi là 5.3°c.

Năm 2008, Sung Chui Kim và cộng sự, những nhà nghiên cứu tại Viện công nghệ

ô tô Hàn Quốc và Đại học quốc gia Seoul, Hàn quốc đã nghiên cứu thực nghiệm đế xác định ảnh huởng của các thông số vận hành đến hiệu suất của hệ thống điều hòa không khí CO2 cho phuơng tiện xe cộ [14] Nghiên cứu đã trình bày những kết quả thục nghiệm về hiệu suất của hệ thống điều hòa CO2 cho ô tô trong những điều kiện vận hành khác nhau do thay đối về các thông số nhu: áp suất đầu vào gas cooler, tốc độ máy nén, nhiệt độ/ luu luợng không khí qua thiết bị bay hơi và gas cooler Những kết quả thí

nghiệm cho thấy, COP của hệ thống là lớn hơn 2.4 ở áp suất đầu vào gas cooler tối uu

trong điều kiện chạy không, và COP của hệ thống là khoảng 1.7 ở áp suất đầu vào gas cooler tối uu trong những điều kiện chạy xe, khi mà nhiệt độ không khí vào gas cooler

và giàn bay hơi lần luợt là 45 °c và 35°c Từ kết quả nghiên cứu cho thấy quan hệ giữa

áp suất cao tối uu và nhiệt độ

môi chất lạnh đầu ra thiết bị gas cooler gần như là tuyến tính Một công thức xác định

áp suất cao theo nhiệt độ môi chất lạnh đầu ra gas cooler được xây dựng cho việc điều chính hệ thống một cách đơn giản chỉ dựa trên một thông số

Nghiên cứu cải tiến chu trình:

Năm 2004, Haruhisa Yamasaki và cộng sự từ công ty điện tử Sanyo, Nhật Bản,

đã giới thiệu một chu trình lạnh transcritical sử dụng CO2 làm môi chất [15] Chu trình gồm các thiết bị: gas cooler, bộ làm mát trung gian, bộ hồi nhiệt (IHX), ống mao (tiết lưu) và máy nén CO2 2 cấp loại rolling piston Bộ trao đổi nhiệt IHX được sử dụng nhằm tăng hiệu suất chu trình CO2; Bộ làm mát trung gian được sử dụng để làm mát môi chất giữa máy nén cấp 1 và máy nén cấp 2 nhằm giảm nhiệt độ xả môi chất sau máy nén cấp 2; ống mao đóng vai trò là thiết bị tiết lưu để giúp cho hệ thống đơn giản hơn

Độ tin cậy của hệ thống đã được kiểm và và cho kết quả tốt trong khi đó, hiệu suất của chu trình này lớn hơn 20% so với chu trình R134a truyền thống

Năm 2005, Alberto Cavallini và cộng sự từ Ý đã tiến hành phân tích thực nghiệm

và lý thuyết mô hĩnh chu trình CO2 transcritical nén 2 cấp [16] Mô hĩnh thí nghiệm

gồm các thiết bị: thiết bị gas cooler và thiết bị bay hơi là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống-cánh; một van đối áp (back pressure valve) sử dụng như là thiết bị tiết lưu; một máy nén piston 2 cấp nữa kín được trang bị bộ tách dầu và bộ làm mát trung gian Thí nghiệm được thực hiện ở áp suất bay hơi, độ quá nhiệt đầu ra thiết bị bay hơi và nhiệt

độ đầu ra gas cooler cố định; Áp suất đầu ra của gas cooler thay đối trong khoảng 8-11 MPa Trong các điều kiện thí nghiệm, COP của chu trình thay đối theo áp suất đầu vào của gas cooler và nhiệt độ làm mát trung gian của máy nén Theo đó, ứng với giá trị áp suất tối ưu đầu vào gas cooler, COP của chu trĩnh biến đối trong khoảng 1 8 đến 2 1 ứng

với điều kiện nhiệt độ làm mát trung gian thay đối trong khoảng 20.5 đến 33°c Mô hĩnh của chu trình nén 2 cấp trong nghiên cứu lý thuyết có thêm bộ hồi nhiệt, ngoài ra, đế

phát triển thêm hiệu suất của chu trĩnh, một chu trĩnh được gọi là chu trình tách (split cycle) được xây dựng và khảo sát (chu trĩnh này có thêm thiết bị hồi nhiệt và một van tiết lưu) Với kết quả phân tích lý thuyết cho thấy chu trình tách có COP lớn hơn khoảng

25% so với chu trình đầu

trong cùng những điều kiện nghiên cứu

Năm 2005, Jun Lan Yang, Yi Tai Ma, Sheng Chun Liu (Trung Quốc) đã khảo sát hiệu suất của chu trình CO2 transcritical nén 2 cấp với thiết bị giãn nở [17] Ba mô hình chu CO2 transcritical nén 2 cấp đuợc xây dựng để khảo sát bằng phuơng pháp phân tích nhiệt động đó là: chu trình nén 2 cấp với áp suất trung gian tối uu (TCOP), chu trình nén 2 cấp với thiết bị giãn nở dẫn động máy nén cao áp (TCDH) và chu trình nén 2 cấp với thiết bị giãn nở dẫn động máy nén hạ áp (TCDL) COP của 3 chu trình này đuợc phân tích, so sánh với nhau và so sánh với COP của 2 chu trình: chu trình nén 1 cấp với thiết bị giãn nở (SCE) và chu trình nén 1 cấp với van tiết luu (SCV), kết quả có đuợc là COP của chu trình TCDH cao hơn các chu trình kia Nghiên cứu sử dụng phần mềm EES để viết chuơng trình tính toán

Năm 2008, Luca Cecchinato và cộng sự (từ Ý) đã nghiên cứu phân tích nhiệt động cho các chu trình nén 2 cấp C02 transcritical khác nhau [18] nhằm tối uu hóa chu trình nén 2 cấp 5 chu trình đuợc phân tích, đánh giá gồm: chu trình nén 1 cấp, tiết lưu đơn (STSC); chu trình nén 2 cấp, tiết luu đơn (STDC); chu trình tách, nén 2 cấp, tiết luu kép (DTDC-SC); chu trình nén 2 cấp, tiết lưu kép có bình bay hơi flash (DTDC-OFT); chu trình với máy nén phụ có tiết luu kép (DTAC) Các thông số ảnh huởng đến hiệu suất của các chu trình nhu áp suất gas cooler, áp suất trung gian, tỉ lệ lưu luợng giữa dòng môi chất chính và dòng môi chất phụ (đối với chu trình DTDC-SC) đuợc xem xét Theo nghiên cứu, các chu trình DTDC-SC và chu trình DTDC-OFT cho thấy sụ cải tiến tốt nhất, đặc biệt đối với những điều kiện hoạt động “khắc nghiệt” của chu trình (nhiệt độ bay hơi thấp, nhiệt độ giải nhiệt gas cooler cao), với 2 chu trình này, hiệu suất năng luợng tăng 70% so với chu trình đơn giản nhất là STSC Tuy nhiên, xét về lợi ích/chi phí, chu trĩnh STDC vẫn là lụa chọn tối uu

2.4.3 Một số nghiên cứu về thiết bị trong chu trình CO 2 transcritical

2.4.3.I Máy nén C0 2 :

Công nghệ của máy nén cho hệ thống CO2 đã đạt đuợc trình độ cao sau nhiều năm đuợc phát triển Những mô hĩnh máy nén CO2 đã đuợc giới thiệu bởi Parsch

[19] và Bullard [20] Parsch [20] đã khai thác tiềm năng cho thiết kế nhỏ gọn của máy nén như trong hình 2.2 Hình 2.4, Bullard mô tả một máy nén nén CO2 21cm3 bên cạnh máy nén R134a 155cm3

Hình 2.3: Các máy nén thay đổi thể tích trong hệ thong điều hòa ô tô Hình trái:

Fagerli [21], qua nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của mình đã đánh giá khả năng nén CO2 transcritical của một máy nén nhỏ loại piston kín Máy nén thí nghiệm này loại đơn xi lanh có thể tích 2.6cm3 với vỏ máy được chế tạo từ một vài phần của máy nén R22 Hiệu suất đắng entropy của máy nén CO2 đo được thấp hơn 10 - 15% so với máy nén R22, trong khi hiệu suất thế tích thấp hơn 5% Fagerli sử dụng chất bôi trơn là dầu khoáng có độ nhớt cao gấp 3 lần so với dầu bôi trơn của máy R22 do sự giảm độ nhớt gây ra bởi CO2 hòa tan

Theo báo cáo của Suss và Kruse [22], có thể đạt được hiệu suất máy nén cao do

tỷ số nén thấp hơn của quá trình nén CO2 transcritical Việc rò rỉ có thế có ảnh

hưởng lớn đến hiệu suất máy nén C02 vì chênh lệch áp suất cực kỳ cao, tuy nhiên, ảnh hưởng rò rỉ đối với hiệu suất của máy nén có thể giảm xuống mức họp lý với thiết kế phù họp của máy Mặt khác, tổn thất áp suất bên trong máy nén CO2 ảnh hưởng nhỏ đến hiệu quả năng lượng và thể tích của quá trình nén

Neksa và cộng sự [23] đã phát triển một chuỗi các máy nén khí piston nữa kín có năng suất thể tích trong khoảng 1.7 m3/h đến 10.7 m3/h Chuỗi các máy nén bao gồm máy nén một và hai cấp với hai xy lanh, chạy ở tốc độ định mức là 1,450 vòng/phút

và 2,900 vòng/phút (50 Hz), tương ứng với công suất làm lạnh trong khoảng 3-25

kw ở nhiệt độ bay hơi -10°c Việc đo đạc hiệu suất máy nén được thực hiện cho một máy nén 1 cấp và một máy nén 2 cấp trong phạm vi công suất thấp của chuỗi máy nén Hiệu suất đẳng entropy và hiệu suất thể tích tương đối tốt Ở tỉ số nén 2.6 (đại diện cho ứng dụng làm nóng nước của bơm nhiệt), hiệu suất đẳng entropy tổng (bao gồm động cơ điện) và hiệu suất thể tích ương ứng là 0,69 và 0,77 (đo tại máy nén một cấp)

Suzai [24] và Tadano [25] cùng cộng sự của họ đã phát triển loại máy nén piston hai cấp kín (hermetic two-stage rolling piston compressor) như mô tả ở hĩnh 2.5, với công suất danh định là 750W Việc nén 2 cấp và áp suất bên trong vỏ là áp suất trung gian có thể giảm tổn thất do rò rỉ Máy cũng trở nên cân bằng hơn nhờ có hai piston quay ở độ lệch pha 180° Với việc sử dụng thép có độ bền cao, vỏ máy có thể chịu được

áp suất 25 MPa, với độ dày tương tự như đối với máy nén R-410A

Động cơ vỏ

Hasegawa và cộng sự [26] đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về máy xoắn ốc CO2 kín với năng suất làm lạnh 4.3kW Năng suất thể tích của máy nén là 7.23 cm3 Hiệu suất năng luợng đo đuợc là tuơng đối thấp (47%), trong khi hiệu suất thể tích (87%) là khá tốt Một phân tích tổn thất cho thấy ổ đỡ chiếm khoảng 40% tổng tổn thất, thiết kế của bộ phận này vĩ thế cần phải đuợc sửa đổi

2.4J.2 Thiết bị gas cooler và thiết bị bay hoi CO 2

Pettersen và cộng sụ đã báo cáo nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt (gas cooler

và thiết bị bay hơi) sử dụng cho hệ thống điều hòa CO2 transcritical [27] Trong đó đã giới thiệu các mô hĩnh thiết bị đuợc phát triển từ năm 1990 gồm các mô hĩnh dạng ống tròn cánh nhôm và mô hĩnh dạng ống phang microchannel Hĩnh 2.6, 2.7 mô tả đặc điểm của các thiết bị trao đổi nhiệt dạng microchannel

Cánh gấp Ông phăng

a)

16.69

—I r— 0.430 0.430

' w ^ ^ ^ ^

r- 0.790

r- 0.700

8.255 16.510

c)

1.650

Hình 2.6.Thỉết bị trao đổi nhiệt gas cooler dạng mỉcrochannel a) Hình dạng của thiết bị b) Mặt cẳt của ổng góp c) Mặt cẳt của ổng mỉcrochannelphẳng

Hình 2.7 Mặt cat ổng góp (trên) và ổng microchannel (dướỉ)của thiết bị bay

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống phẳng microchannel với các cánh được xếp gấp, mang lại nhiều lợi ích So với thiết kế ống tròn - cánh phang thông thường, bộ trao đổi nhiệt microchannel làm tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của tại phía môi chất lạnh, các ống phang cho phép vận tốc không khí qua bề mặt cao hơn làm tăng hệ số truyền nhiệt của không khí

Độ chênh nhiệt độ của môi chất đầu ra gas cooler so với nhiệt độ không khí vào gas cooler có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất (COP) của chu trĩnh Pettersen đã trình bày kết quả đo đạc độ chênh nhiệt độ (temperature approach) của các mô hĩnh thiết bị trao đổi nhiệt gas cooler như hĩnh 2.8, ở đây, độ chênh nhiệt độ phụ thuộc vào công suất thải nhiệt (rejected heat) tại gas cooler

Rejected Heat, [kW]

Hình 2.8 Kết quả đo đạc độ chênh nhiệt độ của mô hình gas cooler dạng ống tròn (sản xuất năm 1994) và 2 dạng microchannel (sản xuất năm 1997)

Yin và cộng sự [28] đã đề xuất một thiết kế gas cooler kiểu nhiều tấm (multislab) (hĩnh 2.9.b) và báo cáo rằng thiết kế này có hiệu quả tốt hơn so với thiết kế nhiều pass (1 tấm) thông thuờng (hĩnh 2.9.a) Với cùng một thể tích bộ trao đổi nhiệt, COP của hệ thống có thiết kế gas cooler mới tăng lên đến 5% so với thiết kế cũ Với thiết kế mới này, độ chênh nhiệt độ đạt đuợc là < 2°c ở hầu hết những điều kiện hoạt động [29]

Môi chất lạnh

vào

Môi chất lạnh vào

Không khí ◄ -

Môi chất lạnh ra

►

b)

pass, b) Thiết kế 3 tẩm -1 pass

2.4.3.3 Thiết bị hồi nhiệt

Việc sử dụng thiết bị hồi nhiệt (thiết bị trao đối nhiệt của môi chất ra khỏi gas cooler và môi chất ra khỏi dàn bay hơi) có thế giúp tăng hiệu suất của chu trĩnh, đặc biệt là đối với hệ thống điều hòa ô tô Haruhisa Yamasaki và cộng sụ [30] đã giới thiệu thiết kế của thiết bị hồi nhiệt dạng ống lồng ống đơn giản nhu hĩnh 2.10

Hình 2.10.Mô hình thiết bị hồi nhiệt dạng ổng lồng ống Boewe và cộng

sự [31] đã giới thiệu thiết kế mới dạng microchannel cho thiết bị hồi nhiệt, trong đó chỉ

ra mô hình 3 tấm microchannel xếp chồng lên nhau (hình 2.11) với nhiều cửa hút song song giúp kiểm soát sự sụt áp của lỏng hút vào máy nén, trong khí đó, môi chất siêu tới hạn sẽ đuợc dẫn vào trong các ống nhỏ để tối đa hóa diện tích và hệ số truyền nhiệt So sánh với thiết kế dạng ống lồng ống, thiết kế microchannel giúp giảm 50% vật liệu chế tạo yêu cầu và tăng 10% hiệu quả

Hình 2.11 Thiết kế dạng mỉcrochannel của thiết bị hồi nhiệt

2.4.3A Van và thiết bị điều khiển

Jain và cộng sụ [32] đã trình bày các thành phần cho hệ thống điều hòa CO2

transcritical bao gồm van tiết luu, bĩnh chứa, vòng làm kín và các phụ kiện khác Van tiết luu này là loại van điện từ tuyến tính

Nhà sản xuất Saginomiya Fujikoki tại Nhật Bản đang phát triển các loại van (đặc biệt là van tiết luu) và thiết bị điều khiến các hệ thống CO2 transcritical, đặc biệt trong loại bơm nhiệt thị truờng Ớ châu Âu, Danfoss AS đã phát triển các van

cơ khí, van điện tử Công ty Otto Egelhof GmbH & Co., Đức, đã phát triển van điều khiển động cơ bước, chủ yếu dành cho thị trường điều hòa không khí di động

CO2 là môi chất lạnh tự nhiên, thân thiện với môi trường, không độc hại cho con người

và rẻ tiền CO2 với những tính chất nhiệt động tốt ở vùng xung quanh điểm tới hạn rất thích hợp để phát triển những thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ gọn nhằm cắt giảm nguyên liệu chế tạo, giảm không gian lắp đặt

- Nhìn chung do tính chất nhiệt động của CO2, chu trình lạnh CO2 transcritical

cơ bản có hiệu suất (COP) thấp hơn so với chu trình lạnh với môi chất truyền thống như R134a (trong các điều kiện hoạt động tương đương) Căn cứ vào đặc tính của chu trĩnh, nhiều nghiên cứu phát triển hiệu suất của chu trình bằng cách thêm vào chu trình một

số thành phần hoặc thay đổi một số thành phần của chu trình (như sử dụng thiết bị hồi nhiệt, sử dụng nén 2 cấp có làm mát trung gian, sử dụng thiết bị giãn nở để thu hồi công ) Những kết quả lý thuyết và thực nghiệm cho thấy hiệu suất của các chu trình cải tiến tăng lên đáng kể so với chu trình cơ bản

- Các thông số nhiệt động làm việc và ảnh hưởng của chúng đến COP của chu trình đã được khảo sát, một trong những thông số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của chu trình là áp suất môi chất đầu xả của máy nén (áp suất cao) Nhiều nghiên cứu

đã xác định tồn tại một giá trị COP lớn nhất của chu trình ứng với một giá trị áp xuất cao, giá trị áp suất này được gọi là áp suất tối ưu, việc xác định áp suất tối ưu rất quan trọng trong thiết kế hệ thống và điều khiến đế hệ thống hoạt động tối ưu Nhiều nghiên cứu đã xác định ảnh hưởng của các thông số (như nhiệt độ thải nhiệt ở gas cooler, nhiệt

độ bay hơi ) đến áp suất cao tối ưu Đối với chu trình nén 2 cấp, ngoài thông số áp suất cao, áp suất trung gian cũng ảnh đến COP của chu trình và tồn tại một giá trị áp suất hung gian mà tại đó COP đạt giá trị lớn nhất, áp suất này gọi là áp suất trung gian tối

ưu

CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT YÈ CHU TRÌNH cơ2 TRANSCRITICAL 3.1 Chu trình CƠ 2 transcritical cơ bản

3.1.1 Lỷ thuyết về chu trình CƠ 2 transcritical cơ bản

Chu trình CƠ2 transcritical là chu trình ngược chiều, có thể sử dụng trong các ứng dụng điều hòa không khí, làm lạnh và bom nhiệt Chu trình này sử dụng môi chất là

CO2, hoạt động trong các điều kiện dưới tới hạn và siêu tới hạn của CO2

Sơ đồ chu trình nén hơi C02 transcritical cơ bản được biểu diễn trong hĩnh 3.1, gồm những thành phần chính: máy nén hơi CO2 (MN), bộ trao đổi nhiệt CO2 siêu tới hạn (GC-gas cooler), thiết bị tiết lưu (TL), thiết bị bay hơi CO2 dưới tới hạn (BH) Trong chu trình này, hơi CO2 dưới tới hạn từ thiết bị bay hơi (trạng thái thái điểm 1) sẽ được hút về máy nén và được nén lên đến trạng thái siêu tới hạn (điểm 2), CO2 siêu tới hạn ở trạng thái điểm 2 sẽ đi qua thiết bị gas cooler để thải nhiệt ra môi trường, như vậy, quá trĩnh trao đổi nhiệt ở gas cooler diễn ra ở áp suất siêu tới hạn của CO2 Môi chat

CO2 ra khỏi thiết bị gas cooler (điểm 3) sẽ đi qua thiết bị tiết lưu, giảm áp suất trở về trạng thái lỏng CO2 dưới tới hạn (điểm 4), sau đó vào thiết bị bay hơi, ở đây lỏng CO2

nhận nhiệt của môi trường và sôi hóa hơi, hơi CO2 ra khỏi thiết bị bay hơi (điểm 1) sẽ được hút vào máy nén và chu trĩnh cứ thế tiếp tục

Đồ thị p-h của chu trĩnh cơ bản được thế hiện trong hĩnh 3.2 bên dưới Quá trình 1-2 là quá trình nén đắng entropy ở máy nén, quá trình 2-3 là quá trình thải

nhiệt đẳng áp ở thiết bị gas cooler, quá trình 3-4 là quá trình tiết luu ở thiết bị tiết lưu (đây là quá trình làm tăng entropy, enthalpy của môi chất truớc và sau tiết luu không đổi) và quá trình 4-1 là quá trình hóa hơi đẳng áp ở thiết bị bay hơi

p Ạ

tgc— const s = const

- >

h

Hình 3.2 Biểu diễn chu trình co 2 transcritical cơ bản trên đồ thịP-h

Xét chu trình CO2 transcritical đuợc biểu diễn trên hĩnh 3.2, trong đó quá trình nén 1 -2 là quá trình lý tuởng (đẳng entropy), hơi môi chất ra khỏi thiết bị bay hơi (điểm 1) đuợc xem là ở trạng thái hơi bão hòa khô Với hi, h2, h3, h4 lần luợt là enthalpy của môi chất ở trạng thái đầu ra thiết bị bay hơi (hay là đầu vào máy nén), trạng thái đầu ra máy nén, trạng thái đầu ra gas cooler và trạng thái sau tiết luu (đầu vào thiết bị bay hơi),

ta có các biểu thức xác định công nén riêng, năng suất lạnh riêng và COP của chu trĩnh nhu sau:

Công nén riêng (w) cần cung cấp cho chu trĩnh: