Nghiên cứu tăng COP của hệ thống điều hòa không khí CO2 với dàn bay hơi kênh micro có chu trình quá lạnh bằng thực nghiệm

Nghiên cứu tăng COP của hệ thống điều hòa không khí CO2 với dàn bay hơi kênh micro có chu trình quá lạnh bằng thực nghiệm Nghiên cứu tăng COP của hệ thống điều hòa không khí CO2 với dàn bay hơi kênh micro có chu trình quá lạnh bằng thực nghiệm Nghiên cứu tăng COP của hệ thống điều hòa không khí CO2 với dàn bay hơi kênh micro có chu trình quá lạnh bằng thực nghiệm

TÓM TẮT

Đề tài này tập trung nghiên cứu tăng COP (Coefficient of Performance) của

hệ thống điều hòa không khí CO2 với dàn bay hơi kênh micro có chu trình quá lạnh bằng thực nghiệm Trong nghiên cứu này, có hai thiết bị quá lạnh là S1 và S2 được lắp đặt và thử nghiệm Dữ liệu thực nghiệm cho thấy COP của chu kỳ làm việc với thiết bị quá lạnh S2 đạt được là 7,2 cao hơn S1 Áp suất bay hơi, áp suất làm mát, nhiệt độ ra khỏi thiết bị quá lạnh và dòng nén tương ứng với COP nêu trên là 44 bar, 75 bar, 26ºC, và 2,4 A

Bên cạnh đó, các thí nghiệm về việc thay đổi tiết diện tiết lưu cũng đã được thực hiện với hệ thống này Trong nghiên cứu này khi diện tích mặt cắt ngang của van tiết lưu giảm từ 8,195 xuống 0,091 mm2, áp suất làm mát tăng và áp suất bay hơi giảm Bên cạnh đó, công nén của máy nén tăng lên khi giảm diện tích mặt cắt ngang của van tiết lưu Ta cũng nhận thấy rằng sự chênh lệch áp suất và dòng điện máy nén tăng lên mạnh mẽ khi diện tích mặt cắt ngang nhỏ hơn 0,4 mm2 Đường cong áp suất làm mát và đường cong công suất nén là cùng quy luật với sự thay đổi diện tích mặt cắt ngang Hơn nữa, nhiệt độ bay hơi giảm từ 18,4 xuống 7,3 oC

và độ quá nhiệt giảm từ 3,4 xuống 1,1 oC, khi diện tích mặt cắt ngang giảm từ 3,825 xuống 0,091 mm2 Ngoài ra, công suất làm lạnh của chu kỳ này là 168,45 kJ/kg, công suất máy nén là 23,99 kJ/kg, kết quả nghiên cứu hệ số COP là 7,01; hệ

số COP này cao hơn những kết quả thu được từ các nghiên cứu liên quan đăng trên các tạp chí quốc tế uy tín

Một nghiên cứu so sánh về hệ số COP giữa nghiên cứu này và các nghiên cứu uy tín khác cũng đã được thực hiện, từ việc so sánh này cho thấy rằng nghiên cứu này đã thu được kết quả tốt hơn rất nhiều so với những nghiên cứu trước đây

ABSTRACT

This thesis focused on increasing COP (Coefficient of Performance) of CO2air conditioning system with microchannel evaporator with subcooling cycle by experiment In this study, there are two different subcoolers namely S1 and S2 were installed and tested The experimental data show that the COP of the cycle working with the subcooler S2 is better which is at 7,2 The evaporator pressure, the subcooler pressure, the subcooling temperature and the compressor current corresponding to the above-mentioned COP are 44 bar, 75 bar, 26 ºC, and 2,4 A, respectively

Besides, experiments on expansion and superheat processes of a transcritical CO2 air conditioning system were done In this study, the cross-sectional area of the expansion valve reduces from 8,195 to 0,091 mm2, the cooler pressure increases and the evaporator pressure decreases; the pressure difference between cooler and evaporator increases Also, the power input of compressor increases as decreasing the cross-sectional area It is also observed that the pressure difference and power input strongly increase as the cross-sectional area is less than 0,4 mm2 The cooler pressure curve and the power input curve are the same rule as varying the cross-sectional area Moreover, the evaporating temperature decreases from 18,4 to 7,3 C and the superheat decreases from 3,4 to 1,1 C as the cross-sectional area reduces from 3,825 to 0,091 mm2 In addition, the cooling capacity

of this cycle is 168,45 kJ/kg, the compressor power is 23,99 kJ/kg, resulting the COP is 7,01; the COP is higher than those obtained from other literature reviews

A total comparison between the present study and the other literatures was also indicated which confirms that the present study gained results look better

MỤC LỤC

Chương I 1

TỔNG QUAN 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Tổng quan các nghiên cứu liên quan 2

1.2.1 Nghiên cứu ngoài nước 2

1.2.2 Nghiên cứu trong nước 19

1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 20

1.3.1 Mục tiêu 20

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu 20

1.3.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứ u 20

1.3.4 Giới hạn đề tài 20

1.3.5 Nội dung nghiên cứu 21

Chương II 22

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 22

2.1 Giới thiệu chung về CO2 22

2.2 Chu trình điều hoà không khí sử dụng môi chất CO2 24

2.3 Tính toán chu trình lạnh dùng môi chất CO2 26

Chương III 30

THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM 30

3.1 Thiết kế mô hình và hệ thống thí nghiệm 30

3.1.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 30

3.1.2 Máy nén lạnh CO2 31

3.1.3 Thiết bị làm mát 33

3.1.4 Dàn bay hơi kênh micro 34

3.1.5 Van tiết lưu 35

3.1.6 Thiết bị quá lạnh 36

3.1.7 Dụng cụ thí nghiệm 37

3.2 Thiết lập thí nghiệm 38

3.2.1 Lắp đặt hệ thống điều hoà không khí CO2 dàn bay hơi kênh micro 38

3.2.3 Sơ đồ mạch điện 39

3.2.4 Vận hành hệ thống 40

3.2.5 Ghi thông số vận hành 41

Chương IV 42

CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42

4.1 Các kết quả thực nghiệm 42

4.1.1 Thực nghiệm trên thiết bị quá lạnh S1 42

4.1.2 Thực nghiệm trên thiết bị quá lạnh S2 44

4.1.3 Thực nghiệm trên van tiết lưu 47

4.2 So sánh kết quả thực nghiệm với tính toán lý thuyết 52

Chương V 53

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53

5.1 Kết luận 53

5.2 Kiến nghị 54

LỜI CẢM ƠN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

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

k : Hệ số truyền nhiệt tổng, W/m2K

 : Bề dày thành thiết bị kênh micro, mm

ta : Nhiệt độ môi trường, oC

F : Diện tích trao đổi nhiệt, m2

CFC : Chlorofluorocarbon

HCFC : Hydrochlorofluorocarbon

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ thực nghiệm về đặc tính truyền nhiệt khi sôi và các tính chất

nhiệt vật lý của CO2 3

Hình 1.2 Sơ đồ thực nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro 5

Hình 1.3 Sơ Sơ đồ thực nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro sử dụng môi chất CO2 7

Hình 1.4 Sơ đồ thử nghiệm về truyền nhiệt khi sôi của CO2 10

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm và kênh micro hình chữ nhật 15

Hình 2.1 Cấu tạo CO2 22

Hình 2.2 Đồ thị trạng thái của CO2 22

Hình 2.3 Đồ thị p-h của chu trình CO2 24

Hình 2.4 Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit 25

Hình 2.5 Đồ thị p-h biểu diễn các trạng thái của chu trình 26

Hình 2.6 Biến thiên nhiệt độ tại dàn bay hơi 28

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm sử dụng môi chất lạnh CO2 có quá lạnh 30

Hình 3.2 Máy nén Dorin CD 180H 32

Hình 3.3 Mô tả cấu tạo bên ngoài máy nén Dorin CD 180H 33

Hình 3.4 Thiết bị làm mát 1,5 HP 34

Hình 3.5 Kích thước dàn bay hơi kênh micro 35

Hình 3.6 Kích thước của van tiết lưu 35

Hình 3.7 Kích thước của các thiết bị quá lạnh 36

Hình 3.8 Lắp đặt hệ thống điều hoà không khí CO2 thực nghiệm 38

Hình 3.9 Mạch động lực 39

Hình 3.10 Mạch điều khiển 40

Hình 3.11 Lắp đặt tủ điện điều khiển và đồng hồ đo áp suất 40

Hình 4.1 Đồ thị p-h của chu trình nén CO2 với S1 43

Hình 4.2 Đồ thị p-h của chu trình nén CO2 với S2 45

Hình 4.3 Đồ thị so sánh giữa nghiên cứu hiện tại với các nghiên cứu khác 47

Hình 4.4 Ảnh hưởng của tiết diện cửa van tiết lưu đến sự thay đổi áp suất và nguồn cấp 49

Hình 4.5 Mối quan hệ giữa tiết diện cửa van tiết lưu với hơi quá nhiệt và nhiệt độ bay hơi 50

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tóm tắt các nghiên cứu về môi chất lạnh tự nhiên 4

Bảng 1.2 Tóm tắt các nghiên cứu về dòng hai pha 8

Bảng 1.3 Tóm tắt các nghiên cứu về truyền nhiệt khi sôi 12

Bảng 1.4 Tóm tắt các nghiên cứu về ảnh hưởng của hình dáng kích thước oC 16

Bảng 2.1 Các thông số trạng thái của các điểm nút tính toán lý thuyết oC 27

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật máy nén Dorin CD 180H 32

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật thiết bị làm mát panasonic 33

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật dàn bay hơi kênh micro 34

Bảng 3.4 Các thông số hình học của các thiết bị quá lạnh 36

Bảng 3.5 Độ chính xác và phạm vi đo của thiết bị đo 37

Bảng 3.6 Các thông số kỹ thuật của thiết bị điện 38

Bảng 4.1 Thông số thực nghiệm của chu trình với thiết bị quá lạnh S1 42

Bảng 4.2 Thông số trạng thái các điểm nút của chu trình với S1 44

Bảng 4.3 Kết quả tính toán nhiệt với chu trình S1 44

Bảng 4.4 Thông số thực nghiệm của chu trình với S2 45

Bảng 4.5 Thông số trạng thái các điểm nút của chu trình với S2 46

Bảng 4.6 Kết quả tính toán nhiệt với chu trình S2 46

Bảng 4.7 Thông số thực nghiệm trên van tiết lưu 48

Bảng 4.8 Thông số thực nghiệm của chu trình CO2 trên van tiết lưu 51

Bảng 4.9 So sánh kết quả thực nghiệm và tính toán lý thuyết 51

Bảng 4.10 So sánh kết quả thực nghiệm và tính toán lý thuyết 52

Chương I TỔNG QUAN

1.1 Ti ́nh cấp thiết của đề tài

Tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường đi đôi với giảm kích thước thiết

bị là vấn đề thời sự của toàn cầu Đặc biệt, các chất làm lạnh thân thiện với môi trường

và trao đổi nhiệt hiệu quả cao được các nhà khoa học trên thế giới đã và đang đẩy mạnh Với những tiến bộ trong công nghệ vi chế tạo cùng với công nghệ vật liệu mới, những thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro ra đời đã đáp ứng được điều này và được các nhà khoa học nghiên cứu áp dụng vào rất nhiều lĩnh vực

Trong ngành lạnh nói chung hay trong lĩnh vực điều hòa không khí nói riêng, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu công nghệ micro với những môi chất khác nhau như các halocarbon hay các môi chất lạnh tự nhiên Tuy nhiên sau khi Nghị định thư Montreal về các chất làm suy giảm tầng Ozone, là một hiệp ước quốc tế được thiết kế để bảo vệ tầng ozone, việc đưa các môi chất tự nhiên vào trong kỹ thuật lạnh

đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu áp dụng Những nghiên cứu chỉ ra rằng, môi chất CO2 (R744) đã được xem là chất làm lạnh thay thế hứa hẹn nhất do hiệu quả cao

và an toàn môi trường Tuy nhiên cho tới nay các nghiên cứu về công nghệ thiết kế thiết bị bay hơi sử dụng môi chất CO2 bằng phương pháp thực nghiệm còn rất hạn chế, nắm bắt được tình hình đó đề tài này xin đi vào tìm hiểu quá trình trao đổi nhiệt của môi chất CO

2 trong dàn bay hơi kênh micro cho hệ thống điều hòa không khí

Đề tài này đi vào nghiên cứu tăng COP (Coefficient Of Performance) của hệ

thống điều hòa không khí CO 2 với dàn bay hơi kênh micro có chu trình quá lạnh bằng thực nghiệm Kết quả này sẽ bổ sung hữu ích cho sự phát triển công nghệ trao đổi

nhiệt kênh micro đặc biệt là với môi chất CO2, để nâng cao hiệu suất truyền nhiệt và tối ưu hóa hình dạng, kích thước của thiết bị bay hơi trong tương lai và thân thiện với môi trường

1.2 Tổng quan các nghiên cứu liên quan

Nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt về tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường

là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới, nghiên cứu thực hiện Cùng với tình hình nghiên cứu của thế giới, các nhà khoa học ở Việt Nam cũng đã có những nghiên cứu đóng góp về lĩnh vực này và có những thành tích nhất định Để có thêm cơ sở thực hiện đề tài, các bài báo của các nhà khoa học trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài đã được tìm hiểu

1.2.1 Nghiên cứu ngoài nước

1.2.1.1 Các nghiên cứu về môi chất lạnh tự nhiên

Liên quan đến việc sử dụng môi chất lạnh tự nhiên là một giải pháp hoàn hảo

để thay thế cho CFC/HCFC được thực hiện bởi Lorentzen [1] Trong nghiên cứu tác

giả đã cho rằng việc sử dụng CO2 với hệ thống điều hòa không khí đã tiết kiệm năng lượng khoảng 20% so với việc sử dụng môi chất R12 ở cùng nhiệt độ Ngoài ra tác giả còn đưa ra một số lợi thế khi sử dụng môi chất CO2 như áp suất làm việc gần với mức tối ưu về kinh tế; kích thước của thiết bị nhỏ gọn; tỉ lệ nén thấp hơn nhiều so với chất làm lạnh thông thường; hoàn toàn tương thích với chất bôi trơn thông thường và vật liệu chế tạo phổ biến, sẵn có ở khắp mọi nơi; giá cả rất thấp; vận hành và bảo trì đơn giản, công suất làm lạnh lớn

Bên cạnh đó Kuang cùng cộng sự [2] đã có một đánh giá toàn diện các mối

tương quan cho truyền nhiệt siêu tới hạn của CO2 trong kênh micro cũng như so sánh những tương quan này với các dữ liệu xác định từ thực nghiệm Từ đó dự đoán hệ số truyền nhiệt về sự làm lạnh siêu tới hạn của hơi CO2 trong kênh micro Phạm vi sai

số là 15% với hầu hết (91%) các dữ liệu thí nghiệm trong thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro với 11 rãnh kênh micro với đường kính trong 0,79 mm trong khoảng áp suất

từ 8 đến 10 Mpa và lưu lượng khối lượng là 300 đến 1200 kg/m2s

Nghiên cứu ưu điểm về đặc tính kỹ thuật của CO2 như hệ số truyền nhiệt cao trong vùng siêu tới hạn đã được thực hiện bởi Kim cùng cộng sự [3], tại áp suất cao kết hợp với khối lượng riêng thấp đã giúp cho kích thước các thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ gọn

Ngoài ra Zhao và Bansal [4] đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính

truyền nhiệt khi sôi và các tính chất nhiệt vật lý của CO2 tại nhiệt độ thấp (-30oC), trong một ống nằm ngang với đường kính trong 4,57 mm, như được thể hiện ở hình 1.1 Kết quả của nghiên cứu là hệ số truyền nhiệt thấp, nhưng lại làm tăng chất lượng hơi nước Điều này trái với các nghiên cứu về nhiệt độ sôi trên 0oC

Hình 1.1 Sơ đồ thực nghiệm về đặc tính truyền nhiệt khi sôi và các tính chất

nhiệt vật lý của CO2

Bằng phương pháp mô phỏng sử dụng chương trình Excel mở rộng Baheta cùng cộng sự [5] đã nghiên cứu hiệu suất của chu kỳ lạnh transcritical cho CO2 (R-744) Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng chu trình phù hợp cho các ứng dụng điều hòa không khí hơn so với chu kỳ làm lạnh, bởi vì hệ số COP tăng rất nhiều khi nhiệt độ thiết bị bay hơi tăng

Từ các nghiên cứu trên ta thấy được những ưu điểm của CO 2 là rất đáng kể và đặc biệt là sử dụng tốt trong các ứng dụng điều hòa không khí Tuy nhiên các nghiên cứu trên chưa đi và nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng và kích thước thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro có cánh, sử dụng môi chất CO 2 cho hệ thống điều hòa không khí Bảng 1.1 thể hiện tóm tắt các nghiên cứu về môi chất lạnh tự nhiên.

Bảng 1.1 Tóm tắt các nghiên cứu về môi chất lạnh tự nhiên

1.2.1.2 Các nghiên cứu về truyền nhiệt micro

Về lĩnh vực truyền nhiệt, bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn là ứng cử viên trong tương lai Khái niệm làm mát của tản nhiệt vi kênh lần đầu tiên được giới thiệu bởi Tuckerman và Pease [8] Kể từ đó, truyền nhiệt và các đặc tính dòng chảy chất lỏng trong kênh micro và tản nhiệt vi kênh đã được nghiên cứu rộng rãi Bằng phương pháp mô phỏng số và kiểm chứng với thực nghiệm, Dang và Teng [5] đã nghiên cứu

so sánh truyền nhiệt và tổn thất áp suất của bộ trao đổi nhiệt kênh micro và kênh mini Kết quả nghiên cứu cho thấy, nhiệt lượng thu được của kênh micro cao hơn nhiều so với kênh mini Tuy nhiên tổn thất áp suất của kênh micro cũng cao hơn kênh mini Bên cạnh đó Huang cùng cộng sự [6] cũng đã nghiên cứu về dòng chất lỏng không tuyến tính và những thay đổi nhiệt độ bề mặt bên trong kênh micro bằng kỷ thuật cảm

Lưu chất làm việc

Lưu lượng chất lỏng

CFC, HCFC, HFC,

biến nhiệt độ phân tử Kết quả thu được, tại chỉ số Reynolds thấp, nhiệt độ tăng mạnh

ở lối vào kênh micro, xảy ra ở 1/8 chiều dài kênh

Ngoài ra Dang cùng cộng sự [7] đã nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro bằng phương pháp mô phỏng 3D sử dụng phần mềm Comsol, kết hợp với thực nghiệm với dòng lưu chất một pha bên trong các kênh micro, như được thể hiện ở hình 1.2 Kết quả thu được là, khi nước từ phía nóng của thiết bị có nhiệt

độ đầu vào 70oC, lưu lượng khối lượng 0,2503 g/s và nước từ phía lạnh có nhiệt độ đầu vào 21,5oC, lưu lượng khối lượng 0,2906 g/s thì mật độ dòng nhiệt thu được 17,38 x 104 W/m2 (hoặc 17,38 W/cm2) Hơn nữa, nghiên cứu cũng cho thấy rằng, ảnh hưởng của lực trọng trường trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro là không đáng kể Nghiên cứu cũng kết luận rằng, có sự đồng nhất giữa kết quả mô phỏng số và kết quả thực nghiệm và sự chênh lệch giữa hai phương pháp nghiên cứu này thấp hơn 9%

Hình 1.2 Sơ đồ thực nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro

Bằng phương pháp mô phỏng số Xia và Chan [8] đã nghiên cứu về hiệu quả của việc sử dụng kênh micro để tăng cường truyền nhiệt Trong nghiên cứu này diện

tích đầu vào của kênh micro được thay đổi để kiểm tra khả năng hấp thụ nhiệt Kết quả nghiên cứu cho thấy khi giảm kích thước đầu vào mỗi kênh thì tốc độ truyền nhiệt tăng lên và tổn thất áp suất cũng giảm đi

Asadi cùng cộng sự [9] cũng đã nghiên cứu và đưa ra những kết quả nâng cao hiệu suất nhiệt của kênh micro Kích thước nhỏ của kênh micro có khả năng tiêu tán nhanh hơi nóng, là một trong những sự lựa chọn tốt nhất để giải nhiệt các thiết bị điện

tử Trong bài báo này, đánh giá toàn diện về các cơ chế truyền nhiệt và tổn thất áp suất trong kênh micro bằng nhiều phương pháp khác nhau dựa vào đặc điểm hình dáng kênh và chế độ dòng chảy bên trong kênh micro

Từ các nghiên cứu trên ta thấy thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro cho hiệu quả truyền nhiệt cao mà tổn thất áp suất qua kênh không đáng kể Vì vậy thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro nên được lựa chọn cho các hệ thống mà nhiệt lượng cao là cần thiết Tuy nhiên các nghiên cứu trên chỉ dừng lại ở thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro dòng một pha, nên cần có những nghiên cứu cho dòng hai pha và đặc biệt là với môi chất

CO 2 vì những ưu điểm của môi chất này như đã tìm hiểu ở trên

1.2.1.3 Các nghiên cứu về dòng hai pha trong kênh micro

Nghiên cứu về dòng hai pha trong kênh micro cũng đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, Dario cùng cộng sự [10] nghiên cứu về ảnh hưởng của việc phân phối dòng chảy hai pha trong các kênh song song với đường kính thủy lực macro

và micro Khi dòng lưu chất phân phối không đồng đều trong các kênh sẽ làm giảm hiệu suất nhiệt và sự lưu động của dòng, trong nhiều trường hợp là do thiết kế của thiết bị gây ra Bằng phương pháp mô phỏng số, nghiên cứu đã đưa ra các mô hình dòng chảy dạng sương mù mang lại sự phân phối dòng lưu chất vào các kênh ở mức tốt nhất Ngoài ra, kết luận của đề tài cũng nêu ra rằng, yếu tố hình học, điều kiện vận hành và các thuộc tính chất lỏng đều có ảnh hưởng đến sự phân bố dòng chảy hai pha trong các kênh song song Bên cạnh đó Yu cùng cộng sự [11] nghiên cứu và đưa ra các kết luận: Dòng chảy hai pha có nhiều thuận lợi hơn về truyền nhiệt và truyền chất

so với dòng một pha; chế độ dòng chảy khác nhau với hình dạng bong bóng khác nhau tùy thuộc vào số lượng mao dẫn (Ca) của dòng chảy (Ca: tỷ lệ giữa lượng nhớt

và sức căng bề mặt thường được đặc trưng bởi số lượng mao mạch); lượng Ca cao

(Ca > 0,03), bong bóng thường được hình thành bởi lực cắt không ổn định, đặc trưng bởi sự kéo dài của dòng khí; khi lượng Ca thấp hơn (Ca < 0,01), các bong bóng thường được bị chèn ép bởi chênh lệch áp suất trong hai pha

Bằng phương pháp mô phỏng, Cheng và Thome [12] đã thực hiện nghiên cứu

về nhiệt độ bay hơi của môi chất CO2 trong thiết bị bay hơi kênh micro Với dòng hai pha, môi chất CO2 có hệ số truyền nhiệt cao hơn nhiều và tổn thất áp suất thấp hơn môi chất R236fa Tuy nhiên, áp suất làm việc của CO2 là cao hơn nhiều so với R236fa Dựa trên các phân tích và so sánh, CO2 dường như là một chất làm lạnh đầy hứa hẹn cho ứng dụng nhiệt độ thấp Pettersen [13] đã nghiên cứu thực nghiệm dòng chảy hai pha trong một kênh micro sử dụng môi chất CO2 với 25 dòng kênh, đường kính trong 0,8 mm và chiều dài 0,5 m, như được thể hiện ở hình 1.3 Việc kiểm tra sự truyền nhiệt được thực hiện với các thay đổi nhiệt độ từ 0 – 25oC, lưu lượng khối lượng từ

190 – 570 kg/m2s và mật độ dòng nhiệt 5 – 20 kW/m2 Kết quả cho thấy sự truyền nhiệt chịu ảnh hưởng lớn bởi độ khô, đặc biệt là lưu lượng khối lượng cao và nhiệt

độ cao

Bằng phương pháp thực nghiệm Thome và Ribatski [14] đã đánh giá tổng quan

về truyền nhiệt khi sôi của dòng hai pha và tổn thất áp suất của CO2 trên kênh macro

và kênh micro Ở nghiên cứu này, tại nhiệt độ bão hòa, CO2 cho hệ số truyền nhiệt cao hơn môi chất lạnh thông thường khác

Hình 1.3 Sơ đồ thực nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro sử dụng môi

chất CO2

Ngoài ra, tại chất lượng hơi thấp và trung bình, hệ số truyền nhiệt tăng lên và thông lượng nhiệt là gần như độc lập với vận tốc khối Ducoulombier cùng cộng sự [15] cũng đã nghiên cứu dòng hai pha CO2 sự tổn thất áp suất trong một ống thép không ghỉ nằm ngang có đường kính trong 0,529 mm Các thí nghiệm được tiến hành trong điều kiện đoạn nhiệt cho bốn nhiệt độ bão hòa -10; -5; 0; 5oC và lưu lượng khối lượng từ 200  1400 kg/m2s Kết quả cho thấy rằng, ở độ khô thấp thì độ nhớt của hỗn hợp dòng hai pha lớn hơn độ nhớt chất lỏng Vì vậy, độ nhớt phụ thuộc chính vào nhiệt độ bão hòa và cân bằng độ nhớt được đề nghị để giảm tổn thất áp suất

Yun cùng cộng sự [16] đã thực hiện hai thí nghiệm dòng hai pha kênh micro

có đường kính 1,44 mm, sử dụng môi chất R410a Họ nhận thấy rằng tổn thất áp suất tăng lên khi giữ nhiệt độ bão hòa, tăng dòng chất, hoặc tổn thất áp suất giảm khi giữ nguyên dòng chất, tăng nhiệt độ bão hoà Cheng cùng cộng sự [17] đã nghiên cứu thực nghiệm về mô hình dòng chảy của CO2 trong ống với đường kính ống 0,6 – 10

mm, lưu lượng khối lượng 50 – 1500 kg/m2s, mật độ dòng nhiệt 1,8 – 46 kW/m2 và nhiệt độ bão hòa từ -28 đến 25oC Kết luận là tổn thất áp suất của dòng chảy hai pha

CO2 thấp hơn nhiều so với các kết quả nghiên cứu trước

Qua các nghiên cứu trên ta thấy được dòng hai pha có nhiều thuận lợi hơn về truyền nhiệt và truyền chất so với dòng một pha, hơn nữa dòng hai pha với môi chất

CO 2 cho tổn thất áp suất thấp hơn nhiều so với một số môi chất lạnh Tuy nhiên ta thấy rằng các nghiên cứu cho dòng hai pha đối với môi chất CO 2 trong kênh micro

có cánh chưa được thực hiện với thực nghiệm

Bảng 1.2 Tóm tắt các nghiên cứu về dòng hai pha Tài liệu

tham

khảo

Vật liệu/

Hình dạng

Lưu chất làm việc

Lưu lượng chất lỏng

Nước Yếu tố hình học,

vận hành, thuộc tính chất lỏng đều ảnh hưởng đến sự phân bố

Khi dòng lưu chất phân phối không đồng đều trong các kênh sẽ làm giảm hiệu suất nhiệt

Không

dòng chảy hai pha

Yu cùng

cộng sự

[11]

kênh micro

Cheng và

Thome

[12]

Kênh micro

CO 2 và R236fa

987,6 kg/m 2 s nhiệt độ bão hòa

25 o C

CO 2 có hệ số truyền nhiệt cao hơn nhiều R236fa

CO 2 tổn thất

áp suất thấp hơn môi chất R236fa

Pettersen

[13]

Kênh micro d = 0,8 mm

CO 2 không CO 2 cho hệ số truyền

nhiệt cao hơn môi chất lạnh thông thường khác

Tại trạng thái hai pha CO 2

có tổn thất áp suất thấp hơn môi chất lạnh khác

CO 2 200 – 1400

kg/m 2 s

40 W/m 2 Nhiệt độ bão hòa từ - 10; -5; 0; -5 o C

R410a

200 – 400 kg/m 2 s

10 – 20 kW/m 2

Tăng nhiệt độ bão hoà

từ 0,5 – 10 o C

Tổn thất áp suất giảm khi giữ nguyên dòng chất

Cheng

cùng cộng

sự [17]

Kênh micro

1.2.1.4 Các nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt khi sôi

Liên quan đến quá trình truyền nhiệt khi sôi, Kim [18] đã thực hiện nghiên cứu

về tăng cường truyền nhiệt khi sôi của bề mặt cấu trúc nano/micro Tác giả đã thực hiện nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về truyền nhiệt khi sôi mầm và thông lượng nhiệt quan trọng Dang cùng cộng sự [19] đã thực hiện một nghiên cứu về truyền nhiệt khi sôi của CO2 bên trong ống nhỏ có cánh micro (hình 1.4) Các kết quả thực nghiệm đều chỉ ra rằng hệ số truyền nhiệt không luôn luôn tăng với việc tăng lưu lượng khối lượng, như trong trường hợp sử dụng môi chất lạnh thông thường như HFCs hoặc HCFCs Dưới những điều kiện nhất định hệ số truyền nhiệt tại dòng lưu lượng khối lượng cao thì thấp hơn so với tại dòng lưu lượng khối lượng thấp, điều này chỉ ra rằng truyền nhiệt đối lưu làm ức chế chế độ sôi mầm Hệ số truyền nhiệt trong ống có cánh micro lớn hơn (1,9  2,3) lần so với ống trơn với cùng đường kính ống và các điều kiện thí nghiệm khác như nhau Chất lượng hơi ra cao hơn từ 0,9  0,95 Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng sử dụng ống có cánh micro có thể làm tăng đáng kể hiệu suất truyền nhiệt tổng thể

Hình 1.4 Sơ đồ thử nghiệm về truyền nhiệt khi sôi của CO2

Ngoài ra Fang [20] cũng đã nghiên cứu sự tương quan về hệ số truyền nhiệt khi sôi của CO2 Dựa trên 2956 điểm dữ liệu thử nghiệm của dòng CO2 thu được từ

13 nghiên cứu độc lập, nghiên cứu chỉ ra rằng, CO2 có sự khác biệt đáng kể so với

môi chất lạnh thông thường về đặc tính truyền nhiệt với cùng một nhiệt độ sôi

Nghiên cứu thực nghiệm về truyền nhiệt của dòng lưu chất khi sôi và những bất ổn trong kênh micro thẳng cũng đã được thực hiện bởi Balasubramanian cùng cộng sự [21] Những thí nghiệm về dòng lưu chất sôi đã được tiến hành trong kênh micro với vật liệu đồng với hai khuôn khác nhau 25 mm x 25 mm và 20 mm x 10

mm Các kênh với kích thước danh nghĩa rộng 300 µm và sâu 1200 µm với một độ nhám bề mặt 2 µm (Ra), nước loại ion được sử dụng như là lưu chất làm mát Kết quả là hệ số truyền nhiệt bị giảm xuống khi tổn thất áp suất cao trong các kênh micro Cho cùng cộng sự [22] đã nghiên cứu về những đặc điểm truyền nhiệt khi sôi của hỗn hợp CO2/propane trong ống trơn và ống micro có cánh Đối với ống nằm ngang, thành phần của hỗn hợp CO2/propane là 75/25 thì hệ số truyền nhiệt là cao nhất Hệ số truyền nhiệt của ống micro có cánh cao hơn so với các ống trơn là 120 – 170% khi các điều kiện thử nghiệm tương tự Đối với ống thẳng đứng, hệ số truyền nhiệt tăng khi tăng mật độ dòng nhiệt, lưu lượng khối lượng và tỷ lệ thành phần của CO2 Hỗn hợp CO2/propane 75/25 so với khí CO2 tinh khiết thì hệ số truyền nhiệt nhỏ hơn khoảng 91% và tổn thất áp suất nhỏ hơn khoảng 92%

Truyền nhiệt khi sôi của CO2 và hiện tượng quá nhiệt hơi ra trong một ống

trơn nằm ngang đã được R Yun cùng cộng sự [23] nghiên cứu bằng phương pháp

thực nghiệm Các mẫu ống thí nghiệm có đường kính trong 6 mm, dày 1 mm và dài 1,4 m và được tiến hành ở nhiệt độ bão hòa 5 và 10oC với lưu lượng khối lượng từ

170  320 kg/m2s và mật độ dòng nhiệt từ 10  20 kW/m2 Phần hơi quá nhiệt xảy ra tại chất lượng hơi thấp là do tốc độ tăng trưởng lớn của các bong bóng trong màng lỏng, làm cho các hạt chất lỏng bị lỏng cuốn đi nhiều, điều này dẫn đến hệ số truyền nhiệt sụt giảm nhanh chóng Ngoài ra nghiên cứu còn đưa ra hệ số truyền nhiệt của

CO2 là cao hơn mức trung bình 47% so với R134a ở điều kiện hoạt động tương tự Jin và cộng sự [24] đã đưa ra một phân tích/mô hình tính toán để dự đoán hiệu suất của một thiết bị bay hơi cho một hệ thống điều hòa không khí CO2 Dựa trên phương

pháp phần tử hữu hạn, mô hình này được phát triển bằng cách sử dụng phương trình bảo toàn khối lượng và năng lượng, nhấn mạnh đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất phía môi chất lạnh Hơn nữa, ảnh hưởng của truyền nhiệt phía môi chất lạnh và tổn thất áp suất ở đầu vào các kênh micro cũng được xem xét Các dòng môi chất chảy trong ống được chia thành vùng hai pha và vùng quá nhiệt và cả hai điều kiện khô và ẩm cũng được xem xét Nghiên cứu đã chỉ ra rằng mặc dù có sự giảm áp ở phần ống góp và lối vào các ống phần tử nhưng điều đó có thể bỏ qua vì không đáng

kể so với tổng sụt áp dọc theo toàn bộ thiết bị bay hơi Tuy nhiên, các bavia trong quá trình hàn ống phải được xem xét vì đó là yếu tố chính làm tăng sự sụt áp

Kim và Bullard [25] cũng đã nghiên cứu và đưa ra những kết quả rất quan trọng về sự bay hơi của môi chất CO2 trong thiết bị bay hơi Trong nghiên cứu này các công thức về sự truyền nhiệt và tổn thất áp suất do ma sát cho bộ trao đổi nhiệt kênh micro theo trạng thái lỏng sôi và bão hòa khô đều được thiết lập từ các phương trình cân bằng khối lượng và cân bằng năng lượng Các kết quả mô phỏng số cũng như các công thức về sự truyền nhiệt và tổn thất áp suất cho thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro đã được nghiên cứu

Qua các nghiên cứu trên ta thấy hệ số truyền nhiệt trong ống có cánh micro lớn hơn nhiều so với ống trơn và hệ số truyền nhiệt khi sôi của CO 2 cao hơn một số môi chất lạnh khác Vì vậy nghiên cứu thực nghiệm về truyền nhiệt khi sôi trong ống micro có cánh cần được quan tâm phát triển đặc biệt với môi chất CO 2 Bảng 1.3

thể hiện tóm tắt các nghiên cứu về truyền nhiệt khi sôi

Bảng 1.3 Tóm tắt các nghiên cứu về truyền nhiệt khi sôi Tài liệu

tham khảo

Vật liệu/

Hình dạng

Lưu chất làm việc

Lưu lượng chất lỏng

Truyền nhiệt

Tổn thất áp suất

Dang cùng

cộng sự [19]

Ống nhỏ có cánh micro

CO 2 tại nhiệt

độ bão hòa

15 o C

360  720 kg/m 2 s

4,5  18 kW/m 2

Không

Fang cùng

cộng sự [20]

Ống tròn nằm ngang

kg/m 2 s

3,93  40 kW/m 2

Không

anian cùng

cộng sự [21]

Đồng/kênh micro

Nước 98 kg/m 2 s 40  90

W/cm 2

0,002  0,0042 bar

Cho cùng

cộng sự [22]

Đồng/Ống có cánh micro và ống trơn

CO 2 /propane 212  656

kg/m 2

15  60 kW/m 2

tổn thất áp suất nhỏ hơn 92%

CO 2 tinh khiết

R Yun cùng

cộng sự [23]

Thép/Ống thẳng nằm ngang d = 6

mm

kg/m 2 s

10  20 kW/m 2

Không

Jin cùng

cộng sự [24]

Đồng/kênh micro

CO 2 380 kg/m 2 s 10 kW/m 2 Tổn thất áp

suất ở đầu vào chiếm 3  6% toàn dàn bay hơi

1.2.1.5 Các nghiên cứu về ảnh hưởng của hình dáng hình học

Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng hình học và tổn thất áp suất trong kênh micro đã được Hasan cùng cộng sự [26] đã thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng hình học lên hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro bằng phương pháp mô phỏng số với mô hình 3D với tiết diện kênh khác nhau như hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật, tam giác và hình thang Kết quả nghiên cứu cho thấy, kênh có tiết diện hình tròn cho hiệu suất tốt nhất cả về nhiệt lẫn thủy động lực học, đứng thứ 2 là các kênh hình vuông Ngoài ra nghiên cứu còn chỉ ra rằng, nếu giảm thể tích của mỗi kênh và tăng số kênh nhất định trong một bộ trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro thì lượng nhiệt trao đổi tăng, tuy nhiên tổn thất áp suất tăng và dẫn đến năng lượng tiêu tốn cho bơm cũng tăng lên Cũng bằng phương pháp mô phỏng

số Mohammed cùng cộng sự [27] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng kênh lên hiệu suất nhiệt và dòng chảy của bộ tản nhiệt kênh micro Bộ tản nhiệt có ba hình dạng kênh micro khác nhau: zigzag, curvy, và step được so sánh với bộ tản nhiệt có kênh thẳng và gợn sóng (wavy) Hiệu suất bộ tản nhiệt kênh micro được đánh giá dựa trên thông số nhiệt độ, hệ số truyền nhiệt, tổn thấp áp suất, hệ số ma sát, ứng suất trượt thành kênh Kết quả là, trong cùng một mặt cắt ngang, kênh micro có hình dạng zigzag cho hệ số truyền nhiệt lớn nhất, thứ hai là kênh curvy Tuy nhiên sự sụt áp

trong bộ tản nhiệt kênh micro cao hơn bộ tản nhiệt có kênh thẳng và gợn sóng (wavy)

Bộ tản nhiệt kênh micro dạng zigzag có trị số tổn thất áp suất, hệ số ma sát và ứng suất trượt thành kênh cao nhất

Một nghiên cứu mô phỏng 3D sử dụng phần mềm Comsol kết hợp thực nghiệm

về ảnh hưởng của hình dạng lên hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro được thực hiện bởi Dang và Teng [28] Để đánh giá ảnh hưởng của các thông

số này, có hai loại điều kiện cho dòng lưu chất (thay đổi nhiệt độ đầu vào của phía nóng và thay đổi lưu lượng khối lượng của phía lạnh) được xem xét Kết quả của nghiên cứu cho thấy độ dày bề mặt thiết bị ảnh hưởng không đáng kể đến hiệu suất của thiết bị Ảnh hưởng của đường kính thủy lực lên chỉ số hiệu suất là đáng kể Bên cạnh đó kết quả thực nghiệm còn cho thấy rằng với đường kính thủy lực thấp hơn thì tổn thất áp suất và mật độ dòng nhiệt cao hơn Liên quan đến ảnh hưởng của vị trí đầu vào và đầu ra cho hai loại kiểu thiết bị (kiểu I và kiểu S) trao đổi nhiệt kênh micro, mật độ dòng nhiệt và tổn thất áp suất thu được từ kiểu S là cao hơn

Bằng phương pháp mô phỏng số, Ngo cùng cộng sự [29] nghiên cứu trên hai

bộ trao đổi nhiệt kênh micro loại cánh dạng chữ S và loại cánh zigzag cho chu trình

CO2 sử dụng CFD 3D Kết quả nghiên cứu cho thấy, kênh micro có cánh dạng chữ S cho tổn thất áp suất nhỏ hơn 6  7 lần cánh dạng zigzag khi vẫn duy trì hiệu suất truyền nhiệt không đổi; mối tương quan giữa chỉ số Nusselt và tổn thất áp suất đối với hai bộ trao đổi nhiệt trên là một hàm của chỉ số Reynolds và Prandtl đã được nghiên cứu Barlak cùng cộng sự [31] cũng đã tiến hành các thí nghiệm trên các ống micro (D = 200, 250, 400, 505 và 589) có tỷ lệ L/D trong khoảng 16  265 sử dụng nước làm mát Kết quả cho thấy rằng ở số Reynolds thấp (Re < 2000), sự tổn thất áp suất là ít phụ thuộc vào tỷ lệ L/D và có mối quan hệ tuyến tính giữa tổn thất áp suất

và hệ số Reynolds Trong khi đó, khi tăng hệ số Reynolds cao (Re > 2000) thì tổn thất áp suất phụ thuộc rất nhiều vào tỷ lệ L/D

Yun cùng cộng sự [30] nghiên cứu thực nghiệm đặc tính truyền nhiệt đối lưu

khi sôi của CO2 trong kênh micro hình chữ nhật có kích thước 1,08 x 1,54 mm, trong điều kiện mật độ dòng chất thay đổi từ 200  400 kg/m2s, mật độ dòng nhiệt thay đổi

từ 10  20 kW/m2, duy trì nhiệt độ bão hoà ở các giá trị 0oC, 5oC và 10oC, như thể

hiện trong hình 1.5 Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ số trao đổi nhiệt trung bình của

CO2 cao hơn khoảng 53% so với R134a; khi tăng mật độ dòng nhiệt thì hệ số tỏa nhiệt đối lưu của CO2 tăng; khi đường kính thủy lực giảm từ 1,54  1,27 mm và từ 1,27  1,08 mm tại mật độ dòng nhiệt là 15 kW/m2 và lưu lượng khối lượng 300 kg/m2s thì hệ số truyền nhiệt tăng tương ứng 5% và 31%

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm và kênh micro hình chữ nhật

Một phân tích số trên thiết bị bay hơi kênh micro với hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất CO2 được thiết kế bởi Yun cùng cộng sự [32] Trao đổi nhiệt

kênh micro đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn Kết quả cho thấy hiệu suất của thiết bị bay hơi có thể được cải thiện bằng cách thay đổi tốc độ dòng chảy phía môi chất lạnh đến mỗi tấm và thay đổi không gian cánh để tăng vùng hai pha trong các kênh micro Ngoài ra, việc bố trí các tấm trao đổi nhiệt theo hình chữ V cũng đạt hiệu suất trao đổi nhiệt cao hơn so với bố trí tấm song song Bằng phương pháp thực nghiệm Ge cùng cộng sự [33] đã thiết kế tối ưu hóa bộ trao đổi nhiệt bằng cách thiết kế các cấu trúc khác nhau và điều khiển và tích hợp hệ thống

ở điều kiện vận hành khác nhau nhằm tăng cường hiệu suất cho hệ thống lạnh sử dụng môi chất CO2 Kết quả nghiên cứu là ảnh hưởng của kích cỡ thiết bị trao đổi nhiệt đến hiệu suất của hệ thống có thể được tăng cường bằng cách điều khiển tốc độ quạt

Như trên ta thấy đã có nhiều nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng hình học lên thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro sử dụng môi chất lạnh CO 2 bằng thực nghiệm và

mô phỏng Tuy nhiên nghiên cứu về ảnh hưởng của dàn bay hơi kênh micro hình chữ nhật có cánh đến hệ số COP trong hệ thống điều hoà không khí CO 2 chưa được các nhà khoa học nghiên cứu thực nghiệm Bảng 1.4 thể hiện tóm tắt các nghiên cứu về

ảnh hưởng của hình dáng kích thước.

Bảng 1.4 Tóm tắt các nghiên cứu về ảnh hưởng của hình dáng kích thước Tài liệu

tham khảo

Vật liệu/ Hình dạng

Lưu chất Truyền nhiệt Tổn thất áp suất

Hasan cùng

cộng sự [26]

Tròn, vuông, chữ nhật, tam giác và hình thang/kênh micro

Nước

Kênh dạng tròn cho hiệu suất tốt nhất cả về nhiệt lẫn thủy động lực học, đứng thứ 2 là các kênh hình vuông

Giảm thể tích mỗi kênh và tăng số kênh thì tổn thất áp suất tăng

Mohammed

cùng cộng

sự [27]

Bộ tản nhiệt kênh micro dạng zigzag, curvy và step

Nước

Kênh dạng zigzag cho hệ

số truyền nhiệt lớn nhất, thứ hai là kênh curvy

Dạng zigzag có trị

số tổn thất áp suất,

hệ số ma sát cao nhất

Dang và

Teng [28] Kênh micro Nước

Đường kính thủy lực bé hơn thì mật độ dòng nhiệt cao hơn

Đường kính thủy lực giảm thì tổn thất

áp suất tăng

Yun cùng

cộng sự [29]

Kênh micro hình chữ nhật 1,08 x 1,54 mm

CO 2

200  400 kg/m 2 s Nhiệt độ bão hoà 0 o C, 5 o C

CO 2 Không

Cánh dạng chữ S cho tổn thất áp suất nhỏ hơn 6  7 lần cánh dạng zigzag

Cánh hình chữ V cũng đạt hiệu suất trao đổi nhiệt cao hơn so với cánh song song

Lưu lượng thể tích

CO 2 tăng, nhiệt độ môi trường tăng, áp suất CO 2 tăng

1.2.1.6 Các nghiên cứu về hệ số COP

Một nghiên cứu về giảm thiểu tổn thất hệ số hiệu quả năng lượng (COP) từ mối tương quan áp suất cao tối ưu cho chu trình CO2 đã được thực hiện bởi Yang cùng cộng sự [34] Trong nghiên cứu này, sự tương quan áp suất cao tối ưu bằng cách sử dụng phương pháp đơn giản đã được áp dụng rộng rãi trong việc tối đa hóa COP của các chu trình CO2 Bên cạnh đó, Baheta cùng cộng sự [5] đã nghiên cứu hiệu suất của chu kỳ lạnh transcritical cho CO2 (R-744) bằng phương pháp mô phỏng Trong nghiên cứu này, Với áp suất làm mát 10 Mpa và áp suất bay hơi 4 Mpa hệ số COP đạt 3,24 tại nhiệt độ làm mát 40oC và đạt 3,82 tại nhiệt độ làm mát 35oC Cabello cùng cộng sự [35] đã so sánh bốn mối tương quan của áp suất cao tối ưu từ việc tổng quan các nghiên cứu lý thuyết với dữ liệu thực nghiệm Nghiên cứu kết luận rằng một lỗi nhỏ về áp suất có thể làm giảm đáng kể hệ số COP của chu trình

Một nghiên cứu so sánh về chu kỳ ghép tầng cho hệ thống làm lạnh và sưởi ấm với các môi chất sau: amoniac, R134a, butan, propan và CO2 được thực hiện bởi Colorado cùng cộng sự [36] Trong nghiên cứu này, amoniac, R134a, butan và propan được nghiên cứu với chu kỳ nhiệt độ thấp, CO2 được sử dụng trong chu kỳ nhiệt độ cao Kết quả cho thấy hệ thống ghép tầng hoạt động với các hỗn hợp R134a-CO2 và propane-CO2 cho hệ số COP cao hơn 5% so với các hệ thống NH3-CO2 Dang cùng cộng sự [38, 39] đã điều tra hệ thống điều hòa không khí CO2 Kết quả cho thấy máy nén thông thường không phù hợp để sử dụng trong hệ thống áp suất cao Chất lượng hơi tăng từ 0,50  0,52 khi chất làm lạnh CO2 vào thiết bị bay hơi ở vị trí 200 mm,

áp suất phía thiết bị giải nhiệt hơn 85 bar, áp suất bay hơi 37 bar

Qua trên ta thấy nghiên cứu về hệ số COP cũng đã được một số nhà khoa học nghiên cứu thực hiện Tuy nhiên các nghiên cứu trong [34], [5], [36] không thực hiện thực nghiệm và nghiên cứu [35], [37] thực hiện thực nghiệm nhưng hệ số COP là rất nhỏ Từ [5] ta thấy khi nhiệt độ ra khỏi thiết bị làm mát giảm thì hệ số COP tăng Vì vậy ta thấy rất cần có một thiết bị quá lạnh trước tiết lưu để tăng COP của hệ thống điều hoà không khí CO2

1.2.2 Nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, công nghệ nhiệt Micro là một hướng rất mới Tuy nhiên, cũng đã

có các nhà khoa học chuyên ngành nhiệt nghiên cứu về vấn đề này

Bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm qua đề tài NCKH công nghệ

toàn quốc về cơ khí lần thứ IV - 2015, Trung và Hùng [41] đã nghiên cứu về ảnh

hưởng của sơ đồ dòng chảy (chữ I và chữ Z) đến quá trình bay hơi trong kênh micro Kết quả cho thấy rằng, sự bay hơi trong sơ đồ chữ Z sớm hơn chữ I, điều này đã dẫn đến nhiệt độ đầu ra của sơ đồ chữ Z thấp hơn chữ I Các kết quả thu được từ mô phỏng đồng thuận với thực nghiệm Ảnh hưởng của hình dáng hình học kênh micro, đến các

đặc tính truyền nhiệt cho dòng chảy hai pha, đã được Trung và Tân [42] nghiên cứu

bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu này đã chỉ ra được kênh có hình dáng hình học tối ưu đó là kênh có tiết diện hình tròn Giữa mô phỏng số và thực nghiệm sai số thấp hơn 0,3%

Bằng phương pháp mô phỏng số Trung và Hiếu [43] đã nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi kênh micro dùng môi chất CO2 Tổn thất áp suất qua thiết bị bay hơi kênh micro là không đáng kể từ 38,164 bar xuống 38 bar Nghiên cứu những ảnh hưởng của lực trọng trường đến các đặc tính nhiệt và dòng chảy lưu chất của những bộ trao đổi nhiệt kênh micro, đã được Trung và Hùng [44] thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm Ngoài ra Trung và Hùng [45] cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng tính chất vật lý của dòng lưu chất trong bộ tản nhiệt kênh micro Trong nghiên cứu này, các đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của lưu chất một pha bên trong

bộ tản nhiệt kênh micro đã được xác định

Qua tìm hiểu về các nghiên cứu uy tín trên thế giới cũng như trong nước như trên, ta thấy các nghiên cứu chưa đề cập đến quá trình giảm nhiệt độ môi chất sau khi ra khỏi thiết bị làm mát và các giá trị COP không đủ cao Vì vậy, điều quan trọng

là phải nghiên cứu về một thiết bị quá lạnh sau thiết bị làm mát của một hệ thống điều hòa không khí CO 2 để tăng cường hệ số COP Do đó, một nghiên cứu thực nghiệm về việc tăng COP của hệ thống điều hòa không khí CO 2 với dàn bay hơi kênh

micro có chu trình quá lạnh là một hướng nghiên cứu mới cần quan tâm mà trong bài nghiên cứu này sẽ tập trung vào

1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu

Từ các nghiên cứu liên quan đã được công bố trên các tạp chí uy tín trên thế giới đã được xếp hạng như SCI, SCIE hay EI, tác giả đã thực hiện một nghiên cứu tổng quan những đối tượng liên quan đến đề tài, từ đó thấy được những vấn đề các nghiên cứu trước đã được giải quyết, những vấn đề chưa giải quyết và cần giải quyết

Từ đó tác giả đưa ra đối tượng nghiên cứu, thiết kế mô hình, thiết lập thí nghiệm Tiếp theo đó tác giả so sánh kết quả thực nghiệm với các nghiên cứu liên quan đăng trên các tạp chí quốc tế uy tín thuộc ISI để kiểm chứng kết quả

1.3.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Hệ thống thực nghiệm là hệ thống điều hòa không khí CO2 với dàn bay hơi kênh micro và có chu trình quá lạnh

Nghiên cứu thực nghiệm tăng COP của hệ thống điều hoà không khí sử dụng môi chất lạnh CO2 bằng việc thực hiện chu trình quá lạnh Từ đó so sánh kết quả đạt được với các nghiên cứu liên quan

1.3.4 Giới hạn đề tài

Do thời gian làm đề tài có hạn nên nhóm chúng em chỉ tập trung nghiên cứu thực nghiệm về tăng COP của hệ thống điều hòa không khí CO2 với dàn bay hơi kênh micro có chu trình quá lạnh Ngoài ra, một nghiên cứu thực nghiệm về quá trình tiết lưu khi thay đổi diện tích mặt cắt ngang của cửa tiết lưu cho hệ thống điều hòa không khí CO2 cũng đã được thực hiện trong đề tài này Tiếp theo đó tác giả so sánh kết quả thực nghiệm với các nghiên cứu liên quan đăng trên các tạp chí quốc tế uy tín thuộc ISI để kiểm chứng kết quả Tuy nhiên đề tài chưa thực hiện một nghiên cứu mô phỏng

để từ đó so sánh kết quả với thực nghiệm

1.3.5 Nội dung nghiên cứu

 Tổng quan các nghiên cứu liên quan

 Đưa ra động lực nghiên cứu

 Đưa ra đối tượng và phương pháp nghiên cứu

 Lắp đặt hệ thống thực nghiệm

 Vận hành hệ thống lấy kết quả thực nghiệm

 So sánh những kết quả này với các bài báo quốc tế SCI, SCIE hay EI liên quan

tử cacbon hóa trị đôi để liên kết với hai nguyên tử oxy Carbon dioxide tồn tại trong bầu khí quyển của trái đất như một khí ở nồng độ khoảng 0,04 phần trăm (400 ppm) theo thể tích Hình 2.1 mô tả cấu tạo của CO2

Hình 2.1 Cấu tạo CO2

Hình 2.2 Đồ thị trạng thái của CO2

CO2 lỏng chỉ được tạo ra dưới áp suất trên 5,1 bar Ở điều kiện áp suất khí quyển, nó chuyển trực tiếp từ các pha khí sang rắn hay ngược lại theo một quá trình gọi là thăng hoa Điểm 3 thể của CO2 là -56,6oC; 5,18 bar và điểm tới hạn là 31,1oC; 73,8 bar như hình 2.2

 Một số ưu điểm của môi chất CO2:

Qua nghiên cứu tổng quan ở chương 1 ta thấy:

 R744 có chỉ số làm lạnh cao hơn các môi chất lạnh khác ở điều kiện khí quyển;

áp lực gần với mức tối ưu về kinh tế; tỷ lệ nén giảm đi rất nhiều so với chất làm lạnh thông thường;

 Hoàn toàn tương thích với dầu bôi trơn thông thường và vật liệu chế tạo máy;

 Sẵn có ở khắp mọi nơi, không phụ thuộc vào bất kỳ nguồn cung cấp độc quyền

nào; không có yêu cầu tái chế, mức giá rất thấp

 Tính chất vật lý của nó được đánh giá cao thuận lợi cho việc làm mát, làm lạnh

và mục đích sưởi ấm, có năng suất lạnh riêng thể tích cao

 Với những lợi thế vể môi trường của nó (GWP bằng 1, không làm suy giảm

ôzôn, không độc hại, không cháy) có thể là môi chất lạnh trong tương lai để thay thế HFCs ở chế độ nhiệt độ bay hơi cao như điều hoà không khí xe hơi, điều hoà không khí cho các siêu thị, hay sử dụng trong hệ thống máy nước nóng bơm nhiệt

 Lỏng carbon dioxide (R744 hoặc R-744) đã được sử dụng như một chất làm

lạnh trước khi phát hiện R-12 và có thể thay thế cho R134a do thực tế rằng R134a góp phần thay đổi khí hậu

 Trong lĩnh vực điều hòa không khí ô tô, R744 hoạt động hiệu quả hơn so với

các hệ thống sử dụng R134a

 Các vấn đề về áp suất của R744

 Do nhu cầu hoạt động ở áp suất lên tới 130 bar (1880 psi), hệ thống CO2 đòi

hỏi các bộ phận thiết bị phải có độ bền cao

 Các thiết bị trong hệ thống cần kiểm định đảm bảo sự an toàn ở áp lực cao

Cần có các van an toàn khi xảy ra sự cố

 Áp suất cao cần phải có máy nén thiết kế phù hợp cho hệ thống Thiết kế các

lá van và piston chịu được áp lực cao

Với nhiều ưu điểm của môi chất CO2, ngành công nghiệp ô tô thế giới dự kiến

sẽ quyết định về việc điều hòa không khí trong xe ở các thế hệ xe tiếp theo, sẽ sử dụng môi chất lạnh CO2

2.2 Chu trình điều hoà không khí sử dụng môi chất CO2

Dựa trên các nghiên cứu về môi chất lạnh CO2 ta có chu trình điều hoà không khí sử dụng môi chất CO2 trên đồ thị p-h được thể hiện như hình 2.3 Trong nghiên cứu này ta xây dựng chu trình trên đồ thị p-h bằng phần mềm EES (EES là một từ viết tắt của công cụ Engineering Equation Solver)

 Công nén lý thuyết được xác định:

1 4

 Diện tích trao đổi nhiệt được tính:

tlm: Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit (hình 2.4)

 Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit được xác định:

min max

min max

ln

t t

t t

Hình 2.4 Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit

Trong đó: ta: Nhiệt độ môi trường oC; to: Nhiệt độ môi chất trong thiết bị trao đổi

nhiệt oC

2.3 Tính toán chu trình điều hoà dùng môi chất CO2

Dựa trên dữ liệu thiết kế của máy nén Dorin CD 180H ta có các thông số thiết

kế như sau: Máy nén CO2 với thông số các điểm nút p1 = 39 bar; t1 = 5oC; p2 = 80 bar; t3 = 32oC; t4 = 5oC

Bước 1: Xác định các điểm nút chu trình:

 Điểm 1: Điểm cắt của p1 và đường hơi bão hoà khô Là trạng thái hơi hút vào máy nén Từ điểm 1 kẻ đường cong s1 = const = s2

 Điểm 2: Điểm cắt của p2 và đường s1 = s2 Là trạng thái hơi ra khỏi máy nén

 Điểm 3: Điểm cắt của p2 và t3 Là trạng thái hơi ra khỏi thiết bị làm mát

Từ 3 kẻ đường thẳng h3 = const = h4

 Điểm 4: Điểm cắt của p4 = p1 và đường h4 Là trạng thái hơi ẩm của môi chất sau khi qua van tiết lưu

Bước 2: Xây dựng chu trình trên đồ thị p-h bằng phần mềm EES

Đồ thị 2.5 biểu diễn trạng thái các điểm nút của chu trình:

Hình 2.5 Đồ thị p-h biểu diễn các trạng thái của chu trình

Bước 3: Lập bảng tập hợp các thông số trạng thái của các điểm nút chu trình

Từ phần mềm EES ta xác định được các điểm nút của chu trình như bảng 2.1 sau:

Bảng 2.1 Các thông số trạng thái của các điểm nút tính toán lý thuyết

(bar)

t ( o C)

h (kJ/kg)

s (kJ/kg.K)

Bước 4: Tính toán nhiệt:

 Lưu lượng môi chất qua máy nén theo thiết kế ban đầu của máy nén:

m = 70kg/h

 Công nén đoạn nhiệt để nén m kg môi chất lạnh từ trạng thái 1 đến trạng thái 2

)(525)/(525,0)/36005077(70).( 2 1

/ ( 13 , 3 )/3600 50 11 2 ( 70 ) ( 2 33

 Diện tích trao đổi nhiệt thiết bị làm mát:

) ( 46 , 8 10 37

3 2

m t

tlm: hiệu nhiệt độ trung bình logarit oC

(Với giá trị của k vàtlm lấy theo kinh nghiệm từ bảng 6.1, trang 194 sách Máy

và thiết bị lạnh, Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Nxb giáo dục)

 Năng suất lạnh của m kg môi chất lạnh tại thiết bị bay hơi:

) ( 2605 )

/ ( 605 , 2 77)/3600 -

211 ( 70 ) ( 1 44

 Diện tích trao đổi nhiệt thiết bị bay hơi: