Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng lưu lượng gió đến năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí CO2 dùng dàn lạnh kênh mini

Một số kết quả thu được: Mô hình hợp lệ để dự đoán hiệu suất của bộ làm mát khí khi hệ thống đang hoạt động trong chế độ siêu tới hạn và hiệu suất của hệ thống làm lạnh bị giảm.. Mô hìn

TỔNG QUAN

Lý do chọn đề tài

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

Môi chất lạnh hay còn gọi là gas lạnh là chất tuần hoàn trong hệ thống lạnh làm nhiệm vụ hấp thụ nhiệt của buồng lạnh nhờ bốc hơi ở áp suất thấp nhiệt độ thấp và thải nhiệt ra môi trường ở áp suất cao và nhiệt độ cao Môi chất lạnh lý tưởng là môi chất lạnh không gây nguy hiểm cho con người, không độc hại môi trường, không cháy nộ, dễ dàng phát hiện khi rò rỉ, Hiện nay, các nhà khoa học vẫn chưa thể tìm ra được ga lạnh lý tưởng, chúng ta chỉ có thể tìm được ga lạnh, có ưu điểm và cả nhược điểm Bởi vậy khi chọn một ga lạnh cho một ứng dụng cụ thể, cần lựa chọn sao cho ga lạnh phát huy được những ưu điểm và hạn chế những nhược điểm của nó Và đó cũng là tiền đề để ga lạnh CO2 ra đời Ga lạnh CO2 là ga lạnh không mùi, có sẵn trong từ nhiên nên thân thiện với con người Về vấn đề thân thiện môi trường ta có thể lấy GWP của khí CO2 tác động trong thời hạn 100 năm được lấy làm mốc để so sánh, GWP CO2 = 1 thì của các HFC cũng đạt tới hàng nghìn như HFC134a là 1.600, HFC410A là 2.340

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

Nhằm góp phần cho những giải pháp này, nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng lưu lượng gió đến năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí CO 2 dùng dàn lạnh kênh mini để đáp ứng xu thế hiện nay.

Mục đích chọn đề tài

Tìm ra được ảnh hưởng lưu lượng gió đến năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí CO2 dùng dàn lạnh kênh mini.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Liên quan tới đề tài thì đã có nhiều công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về lĩnh vực môi chất CO 2 cũng như dàn lạnh kênh mini Các quá trình nghiên cứu, thực nghiệm đã đóng góp tích cực cho khoa học với hi vọng nghiên cứu ra một môi chất thân thiện với con người và môi trường cũng như hiệu suất làm việc tốt nhất Dưới đây là một số bài báo liên quan nhóm đã tìm hiểu để làm cơ sở thực hiện đề tài

Tsamos cùng các cộng sự [1] đã nghiên cứu mô hình toán học được phát triển dựa trên nền tảng giải quyết các phương trình kỹ thuật (EES), và nó đã được xác nhận với các kết quả thử nghiệm thu được từ thiết bị thực nghiệm tại trung tâm quốc gia Mô hình này được nghiên cứu về việc thiết kế hai dàn làm mát khí khác nhau Chúng được lắp đặt riêng biệt và được tích hợp với mô hình hệ thống làm lạnh CO 2 để nghiên cứu ảnh hưởng của thiết kế làm mát khí vào hệ thống COP Các thông số như áp suất trung gian, nhiệt độ bay hơi và công suất lạnh được xác định từ các thử nghiệm và sau đó được chèn vào mô hình EES Một số kết quả thu được: Mô hình hợp lệ để dự đoán hiệu suất của bộ làm mát khí khi hệ thống đang hoạt động trong chế độ siêu tới hạn và hiệu suất của hệ thống làm lạnh bị giảm Mô hình có thể dự đoán các dữ liệu nhiệt độ của môi chất lạnh, sự giảm áp suất qua bộ làm mát khí, không khí và hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt thải Mô hình hệ thống làm lạnh tích hợp đã được phê chuẩn có thể được sử dụng để tính toán COP của hệ thống Sai số trung bình giữa các giá trị thử nghiệm và mô phỏng được tìm thấy là 7% Kết quả cho thấy áp suất xả của bộ làm mát khí được kiểm soát ở một giá trị tối ưu dựa trên nhiệt độ môi chất lạnh thoát ra khỏi bộ làm mát khí

Do độ chênh lệch nhiệt độ của cuộn dây A thấp hơn nên dẫn đến áp suất xả thấp hơn và hiệu suất hệ thống cao hơn Có thể giảm sự chênh lệch nhiệt độ bằng cách tăng tốc độ quạt gió chính Mặt khác, tăng tốc độ quạt, mức tiêu thụ điện năng của hệ thống cũng tăng lên Do đó, các thiết lập điều khiển tối ưu phải được xác định Trong bài báo này, hiệu suất cao hơn của hệ thống được tìm thấy khi cuộn ống A được sử dụng và tốc độ quạt chính được điều khiển ở mức 60% tổng công suất tương ứng với 2400 l/s Hệ thống chạy với tốc độ quạt là 100% (4000 l/s) thì với cuộn ống A thì hệ số COP trung bình giảm 7.53% và với cuộn B là 7.62% so với khi hệ thống đang chạy với tốc độ quạt là 60% (2400 l/s) cho cả hai trường hợp

Jeong cùng các đồng nghiệp [2] đã nghiên cứu ứng dụng điều hòa không khí vào giải nhiệt thiết bị công nghệ thông tin và truyền thông (ICT) Các cơ sở ICT đã phát triển nhanh chóng Đồng thời, nhiệt sinh ra trên một đơn vị diện tích của một trung tâm dữ liệu, nơi các máy chủ và bộ định tuyến được tập trung trong một cơ sở ICT là một vấn đề cực kỳ nghiêm trọng Do đó, nghiên cứu này nhằm mục đích nghiên cứu hiệu suất và đặc điểm của hệ thống trao đổi nhiệt làm mát tại chỗ của máy chủ, sử dụng CO 2 như là một chất làm việc để ngăn chặn sự xuất hiện của các điểm nóng và giảm điện năng tiêu thụ của một hệ thống điều hòa không khí thông thường Hệ thống điều hòa không khí này được lắp đặt tại trung tâm dữ liệu với những cuộc thí nghiệm và mô phỏng Kết quả là: Đối với tốc độ dòng truyền nhiệt, các kết quả thử nghiệm và mô phỏng nằm trong phạm vi sai số ± 5% ở trạng thái hai pha Tương tự, giảm áp suất nằm trong phạm vi sai số ± 25% Hơn nữa, chúng tôi sẽ có thể cải thiện độ chính xác của mô phỏng xem xét hình dạng của ống thực tế Ở điều kiện tốc độ dòng chảy CO2 và tốc độ không khí thấp thì hiệu suất truyển nhiệt sẽ đạt yêu cầu đã đề ra Ngoài ra, còn có rất ít sự khác biệt về kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm trong vùng quá nhiệt, cần được nghiên cứu trong tương lai

Gulloa [3] cùng các cộng sự đã nghiên cứu hiệu suất của các thiết bị làm lạnh sử dụng môi chất CO 2 đã được nghiên cứu cho một cửa hàng thực phầm bán lẽ ở các vùng Châu Âu với khí hậu đa dạng Kết quả cho thấy, so sánh giữa môi chất R404A được sử dụng rộng rãi hiện nay với môi chất R774 đang trong quá trình nghiên cứu thì các kết quả cho thấy so với hệ thống sử dụng môi chất R404A thì hệ thống lạnh sử dụng môi chất lạnh R744 trên cùng một công suất sẽ tiết kiệm năng lượng hơn từ 3% đến 37,1% trên khắp châu Âu Bài báo này còn cho ta thấy giới hạn hiệu suất năng lượng thường gặp bởi các hệ thống làm lạnh R744 qua mức tăng nhiệt độ ngoài trời biến mất với sự trợ giúp của máy phun Cuối cùng, cuộc điều tra còn chứng mình là sử dụng các máy phun song song cho hệ thống R744 sẽ đem lại hiệu suất cao hơn và thiên thiện với ngành thực phẩm bán lẽ ở Châu Âu.Ngoài ra, nhóm còn nghiên cứu về sự kết hợp của máy nén song song và các thiết bị bay hơi cho hệ thống HFC (hydrofluorocarbon) , kết quả cho thấy lượng điện tiêu thụ từ 22,7% ở Oslo đến 12,4% tại Athens Đánh giá này khẳng định rằng việc áp dụng phương pháp kết nối song song máy phun với đầu phun hơi và đầu phun chất lỏng là một phương án thích hợp cho các cấu hình "tích hợp hoàn toàn" hoạt động trong các siêu thị ở vùng lạnh từ năm 2008 đến năm 2016, các giải pháp CO 2 thuần túy có sự gia tăng hiệu suất năng lượng lên tới 25% và giảm chi phí thiết bị xuống 30% trong thời gian đó Với những hiệu quả về mặt năng lượng trong bất kỳ môi trường khí hậu ở Châu Âu, môi chất R774 đã chứng mình về những tiềm năng của bản thân trong ngành công nghiệp lạnh

Bansal [4] đã thực nghiệm thành công môi chất lạnh Carbon dioxide (CO2) xem như là một trong những môi chất làm lạnh tiềm năng để sử dụng cho các hệ thống làm lạnh sâu trong ngành thực phẩm và lạnh công nghiệp và hoặc hoạt động giải trí Hiện nay, CO2 đã chứng tỏ được sự nổi trội về tính thương mại khi CO2 có một số thiết kế khá phổ biến như là hệ thống lạnh ghép tầng, hệ thống lạnh siêu tới hạn Ngoài ra còn có nhiều mẫu thiết kế và một vài biến thể để sử dụng trong một số trường hợp cụ thể Bài báo này cho ta thấy tất cả về các nguyên tắc cở bản và ứng dụng của môi chất lạnh

CO2 trong các hệ thống làm lạnh sâu Đồng thời, còn có một vài thảo luận về việc phân tích nhiệt động lực học, sự vô hại của nó tới con người cũng như là những thách thức, khả năng thực hiện cho các nghiên cứu và thiết kế mới Một số kết quả khả quan: Bài báo này trình bày tóm lược toàn diện về sự xuất hiện của CO2 như chất làm lạnh hứa hẹn nhất đối với các ứng dụng nhiệt độ thấp đặc biệt là trong ngành công nghiệp thực phẩm vì tính chất vô hại của nó thân thiện với môi trường và cạnh tranh về chi phí Kết quả truyền nhiệt khi sôi của thí nghiệm tại Đại học Auckland cho thấy nhiệt độ giảm thì hệ số trao đổi nhiệt của CO2 cũng giảm, và thay đổi từ 3500 đến 7500 Wm2/K ở các độ khô khác nhau ở khoảng (-) 40 C, trong khi đó hệ số trao đổi nhiệt có thể cao đến 13 kWm 2 /K trong ống đồng kênh micro Giá trị hệ số trao đổi nhiệt cao như vậy sẽ tiền đề cho việc sử dụng CO2 trong các hệ thống làm lạnh sâu Các nghiên cứu gần đây về hệ thống ghép tầng sử dụng CO2 như là một chất làm lạnh thì hiệu suấta tốt hơn 60% so với các hệ thống làm lạnh thông thường hoạt động với R404A ở nhiệt độ thấp Tuy nhiên, cần phải có thêm các nghiên cứu cơ bản để làm sáng tỏ các tính chất của sự trao đổi nhiệt quá trình sôi và ngưng tụ của CO2 và hỗn hợp dầu CO2 giữa các bộ trao đổi nhiệt nhỏ và cực nhỏ hoạt động ở các nhiệt độ thấp Điều này sẽ dẫn đến kết quả thiết kế tối ưu cho các bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn và hiệu quả cho ngành công nghiệp điện lạnh

Santosa [5] cùng đồng nghiệp đã khảo sát các hệ số truyền nhiệt và môi chất làm lạnh thông thường trong các ống xoắn bằng cách sử dụng Mô hình Động lực học Tính toán (Computational Fluid Dynamics - CFD) Kết quả từ mô hình đã được so sánh với các phép đo thực nghiệm cho thấy một khe ngang trên cánh giữa hàng đầu và hàng thứ hai của ống dẫn có thể làm cải thiện tỷ lệ nhiệt thải của thiết bị làm mát từ 6% đến 8% Điều này có thể dẫn đến áp suất của bộ làm mát khí sẽ thấp hơn, hiệu suất hệ thống làm lạnh cao hơn và diện tích dàn trao đổi nhiệt sẽ nhỏ gọn hơn Hệ số truyền nhiệt đã được nghiên cứu cho các phân đoạn khác nhau của bộ làm mát khí, nó cho thấy xu hướng trong sự thay đổi của hệ thống truyền nhiệt Bằng cách thay đổi nhiệt độ, thì sự biến đổi nhiệt dung riêng sẽ càng được thể hiện rõ ràng hơn Các kết quả về sự truyền nhiệt là nguồn tài nguyên quý giá cho các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất CO2 hoặc các dàn trao đổi nhiệt

Li cùng cộng sự [6] đã nghiên cứu chế tạo bộ làm mát kênh micro kiểu cánh sử dụng môi chất CO2 cho điều hòa không khí ô tô Công suất nhiệt đo được cho bộ làm mát khí dao động từ 1 đến 6 kW Ảnh hưởng của nhiệt độ và vận tốc không khí đầu vào khác nhau, tốc độ dòng chảy của môi chất lạnh và áp suất vận hành được nghiên cứu để hiểu rõ hơn về cách các thông số này ảnh hưởng đến hiệu suất làm mát khí CO2 Một mô hình được phát triển để mô phỏng thiết bị làm mát Mô hình dự đoán khả năng chịu nhiệt của bộ làm mát khí trong vòng 5% và chênh lệch áp suất môi chất lạnh trong vòng 8% lệch so với dữ liệu thực nghiệm Mô hình đã được xác nhận đã được sử dụng để phân tích tác động của hình học cánh và phân phối không khí không đồng đều sẽ ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt Dựa trên mô hình đã được xác nhận, tác động của hình học cánh và hiệu suất của việc phân phối khí đã được đánh giá Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng bộ làm mát cánh và vi mạch tích hợp có hiệu suất tốt ở vận tốc gió phía trước cao Phân phối không khí dạng nghiêng (thứ tự giảm dần) có công suất cao nhất đối với bộ làm mát kênh micro CO2

Jamali cùng cộng sự của ông [7] đã trình bày sự quan trọng của việc tích hợp chu trình làm lạnh CO2 đối với các modun nhiệt điện trong thiết bị làm mát Máy phát nhiệt điện hai cấp (TEG) đã tạo ra một nguồn nhiệt thải từ bộ làm mát khí Và nguồn nhiệt này được dùng trong bộ làm mát nhiệt điện hai cấp (TEC), và dùng để làm mát môi chất trước khi vào van tiết lưu TEC Bốn cấu hình chu kỳ làm lạnh CO2 siêu tới hạn được nghiên cứu là: Chu trình làm mát đơn giản Chu trình làm mát siêu tới hạn TEC 1 cấp Chu trình làm mát siêu tới hạn TEC 2 cấp Chu trình làm mát siêu tới hạn TEC 2 cấp được thu hồi nhiệt cho bộ làm khí bởi thiết bị TEG 2 cấp Nó chỉ ra rằng COPD (COP của cấu hình D) cải thiện về 18,9%, so với cấu hình A Giá trị tối đa của COPD khi nhiệt độ thiết bị bay hơi là 5°C đạt khoảng 3,14 trong khi COPA là 2,64 Nghiên cứu tham số cho thấy áp suất vận hành tương ứng lúc COP đạt mức tối đa bị giảm đi và hiệu quả năng lượng cũng giảm trong cấu hình D Áp suất của COP tốt nhất trong cấu hình D giảm khoảng 4% và nhiệt độ của dòng khí mát thoát ra tại điểm COP tốt nhất giảm khoảng 8K Hiệu quả năng lượng tối đa của cấu hình đề xuất trong khi nhiệt độ thiết bị bay hơi là 5°C là khoảng 19% với áp suất tương ứng 92.31 [bar], giá trị này trong chu trình cơ bản là khoảng 15% với áp suất tương ứng 101.13 [bar] Khôi phục tổn thất nhiệt trong các thành phần của chu kỳ làm lạnh bằng TEG và sử dụng năng lượng thu hồi để cải thiện chu kỳ hoặc thậm chí trong máy nén có thể nâng cao hiệu suất tổng thể của chu trình Như vậy có thể thấy rằng TEC và TEG có hiệu suất tốt hơn với hệ thống 2 cấp

Ge [8] đã tiến hành thiết kế 2 bộ làm mát khí CO2 với kết cấu khác nhau và kết nối chúng vào một thiết bị thử nghiệm của một hệ thống lạnh CO2 Thông qua đó, có thể thấy hiệu suất của 2 bộ làm mát này thông qua các buổi thử nghiệm Các mẫu của bộ làm mát khí CO2 được thiết kế theo 2 kiểu là mô hình phân tán (mô hình chi tiết) và mô hình tập trung (mô hình đơn giản) Mô hình thứ nhất được sử dụng để đưa ra dự đoán chi tiết về các cấu hình nhiệt độ chất lỏng hoạt động, tốc độ truyền nhiệt cục bộ và các ảnh hưởng của việc xắp sếp mạch ống Trong khi đó, mô hình thứ hai phù hợp cho mô phỏng và tối ưu hóa tích hợp hệ thống với thời gian tính toán ít hơn Kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt độ bị sụt giảm khoảng 90%, điều này xảy ra trong 17% đầu tiên của tổng chiều dài đường ống tại đầu vào Hơn nữa, tổng tỷ lệ truyền nhiệt sụt giảm trên

90%, xảy ra ở hàng đầu tiên của mỗi bộ trao đổi nhiệt Ngoài ra, COP hệ thống làm mát giảm khi nhiệt độ không khí xung quanh cao hơn trong cả chu kỳ tới hạn và chu kỳ dưới tới hạn Hơn nữa, tốc độ quạt có thể được sử dụng để điều chỉnh và kiểm soát sự quá lạnh và độ chênh lệch nhiệt độ của bộ làm mát khí Tuy nhiên, nếu kích thước bộ trao đổi nhiệt, thì quạt tốc độ cao sẽ là một lựa chọn hợp lí Ngoài ra, kết quả mô phỏng cho thấy rằng sự thay đổi tý lệ không khí là cách làm hiệu quả nhất để kiểm soát và giảm thiểu độ chênh lệch nhiệt độ của bộ làm mát khí mặc dù tỷ lệ giảm là không nhiều

Baheta [9] cùng các cộng sự của mình đã tiến hành nghiên cứu hiệu suất của chu trình làm lạnh nén CO2 siêu tới hạn cho các thông số khác nhau và đánh giá COP của nó Để đạt được điều đó, một chu trình làm lạnh được mô hình hóa bằng các khái niệm nhiệt động lực học Sau đó, mô hình được mô phỏng cho các thông số khác nhau được điều khiển để điều tra hiệu suất chu trình Duy trì các thông số vận hành khác liên tục COP cao nhất là 3,24 ở áp suất làm mát khí 10 MPa Nó cũng đã được quan sát thấy rằng chu trình phù hợp cho ứng dụng điều hòa không khí hơn chu trình làm lạnh, khi COP tăng khi nhiệt độ thiết bị bay hơi tăng lên Mô phỏng được thực hiện bằng chương trình phát triển EXCEL Các kết quả có thể được sử dụng trong thiết kế chu trình làm lạnh CO2

Marcinichen cùng các đồng nghiệp [10] đã nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện hiệu suất của bộ làm mát khí CO2 Với mục tiêu chính là giảm thể tích của mật độ chất lỏng trong bộ làm mát khí Để đạt được điều đó, các tác giả đã tìm các phương pháp, tài liệu về chu trình làm lạnh CO2 và lập ra một chu trình mô phỏng rất chi tiết Sau khi giải quyết về các ảnh hưởng của kích thước ống, lưu lượng thể tích không khí, nồng độ dầu hỗn hợp… Kết quả cho thấy rằng, thể tích và lượng môi chất lạnh được nạp vào đã giảm ít nhất 14% Điều đó cho thấy rằng, hệ thống làm lạnh có thể trở nên nhỏ gọn hơn và nhẹ hơn về trọng lượng Các mô phỏng với dầu cho thấy có tới 6% ảnh hưởng bất lợi đến kích thước của bộ làm mát khí và giảm áp suất CO2 của nó tăng lên đến 2,65 lần khi nồng độ dầu lên tới 3%

Nguyen B Chien [11] các cộng sự của mình đã chứng minh thành công hệ số truyền nhiệt hai phacủa dòng sôi của R32 (difluoromethane), CO2 (carbon dioxide) và R290 (propan) trong minichannel Dữ liệu thực nghiệm được tiến hành trong các ống thép không gỉ nằm ngang với đường kính trong là 1,5mm Các điều kiện thử nghiệm được thực hiện với nhiệt độ bão hòa được cố định ở 10ºC, thông lượng nhiệt là 10kW/m 2 trong khi thông lượng khối lượng thay đổi từ 150 đến 500 kg/m 2 Xu hướng này minh họa rằng thông lượng khối lượng có tác dụng nhỏ trên hệ số truyền nhiệt của cả R32 và R290 nhưng ảnh hưởng mạnh mẽ của thông lượng khối lượng trên hệ số truyền nhiệt của CO2 đã được quan sát Hệ số truyền nhiệt của CO2 tăng cùng với sự gia tăng của thông lượng khối lượng Thông lượng khối lượng liên tục được giữ ở mức 400 kg/m 2 và

Tình hình nghiên cứu trong nước

Dangtri Ho [26] đã cùng đồng nghiệp thực hiện một cuộc so sánh thử nghiệm giữa một máy làm mát kênh micro và hai bộ làm mát thông thường sử dụng môi chất

CO2 Bộ làm mát thông thường và bộ làm mát kênh micro được thiết kế với cùng một công suất nhiệt; tuy nhiên, thể tích của bộ làm mát của kênh micro nhỏ hơn bộ làm mát thông thường Các kết quả chỉ ra rằng hiệu suất truyền nhiệt của bộ làm mát vi kênh cao hơn so với bộ làm mát thông thường Tuy nhiên, đã có một kết quả là bộ làm mát kênh mirco chỉ được sử dụng ở áp suất lạnh dưới 75 bar Bởi vì khi áp suất hơn 100 bar, bộ làm mát kênh micro bị vỡ Ngoài ra, chu kỳ được thực hiện ở nhiệt độ bay hơi 9ºC, tính COP của 6.6, COP của nghiên cứu hiện tại cao hơn so với các nghiên cứu khác

PGS.TS Đặng Thành Trung [27] và các đồng nghiệp đã tiến hình thực nghiệm về hệ thống điều hòa không khí CO2 với thiết bị bay hơi kênh mibi sử dụng quá trình quá lạnh Kết quả cho thấy hiệu suất của hệ thống khi có quá trình quá lạnh sẽ cao hơn so với hệ thống không có quá trình quá lạnh Với quá trình quá lạnh, COP của hệ thống thu được là 4.97 khi hệ thống ở áp suất 77 bar và nhiệt độ bay hơi là 15ºC Còn khi không có quá trình quá lạnh, thì COP cho trường hợp này chỉ thu được là gần 1,59 (thấp hơn cả hệ thống điều hòa không khí thông thường) Người ta đề xuất rằng hệ thống điều hòa không khí CO2 nên được vận hành với áp suất dao động từ 74-77bar và nhiệt độ bay hơi dao động từ 10-15ºC ở chế độ siêu tới hạn, điều này sẽ cho hiệu quả và độ an toàn cao hơn

PGS.TS Đặng Thành Trung [28] cùng các cộng sự đã so sánh tốc độ trao đổi nhiệt giữa một bộ trao đổi nhiệt thông thường và một bao đổi nhiệt kênh mini Kích thước bộ trao đổi nhiệt kênh micro bằng 64% so với kích thước trao đổi nhiệt thông thường từ nhà sản xuất Kết quả cho thấy, tốc độ truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt kênh mini là 145W cao hơn, gần bằng với bộ tản nhiệt scooter Ngoải ra, trong quá trình thí nghiệm đã cho thấy việc sử dụng nước làm môi chất đã cho hiệu suất truyền nhiệt cao hơn so với việc sử dụng dung dịch etylen Các kết quả khá giống so với các nghiên cứu liên quan

ThS Nguyễn Trọng Hiếu [29] cùng các cộng sự đã trình bày thí nghiệm về một hệ thống điều hòa không khí CO2 với các bộ trao đổi nhiệt bằng đồng Trong nghiên cứu này, máy nén và bộ làm mát đã được thử nghiệm với phương pháp thủy lực để xác định nhiệt độ bị biến dạng và bị phá hỏng Kết quả cho thấy máy nén thông thường không phù hợp để sử dụng áp suất cao, do COP của chu kỳ rất thấp (chỉ 0,5) Với máy nén

CO2, chu kỳ có thể đạt được COP của 3,07 ở nhiệt độ bay hơi 10°C Giá trị này tương đương với COP của hệ thống điều hòa không khí thương mại hiện nay

ThS Nguyễn Trọng Hiếu cùng các cộng sự [30] nghiên cứu về môi chất CO2 được sử dụng trong thiết bị bay hơi kênh micro và đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi này được xác định bằng phương pháp mô phỏng số Một số kết quả về trường nhiệt độ, trường vận tốc và áp suất đã được thể hiện Nhiệt độ đầu ra của CO2 trong trường hợp 1,6 g/s cao hơn giá trị thu được trong trường hợp 3,2g/s Bên cạnh đó, tổn thất áp suất qua thiết bị bay hơi kênh micro là không đáng kể, từ 38,164 bar xuống 38 bar Thêm vào đó, các kết quả này đồng thuận với các nghiên cứu liên quan.

Phương pháp thực hiện đề tài

Phương pháp tổng quan: Tổng hợp các công trình nghiên cứu có liên quan, từ đó đưa ra động lực nghiên cứu của đề tài, mục tiêu nghiên cứu, xác định được đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Phương pháp thực nghiệm: phân tích, kiểm tra, so sánh thông số chạy thực nghiệm dàn lạnh CO2 kênh mini từ xưởng Nhiệt

Phương pháp phân tích dữ liệu: Tính toán và phân tích các quá trình nhiệt động dựa vào thông số thực nghiệm thu được.

Giới hạn đề tài

Đối tượng tính toán thiết kế: Thiết bị làm làm mát ống mini giải nhiệt bằng không khí, dàn lạnh compact dùng ống dẹp chứa các kênh mini có năng suất lạnh khoảng 2700W, điều kiện nhiệt độ môi trường tại TP Hồ Chí Minh.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ sở truyền nhiệt

Truyền nhiệt là quá trình truyền nhiệt năng xảy ra giữa giữa các vật có nhiệt độ khác nhau Truyền nhiệt không chỉ tìm cách giải thích những nguyên nhân tạo nên quá trình này mà còn dự đoán mức độ trao đổi nhiệt năng sẽ xảy ra dưới các điều kiện Năng lượng khi được truyền dưới dạng dòng nhiệt không thể đo lường trực tiếp nhưng có thể xác định được dòng nhiệt truyền thông qua một đại lượng vật lý có thể đo lường được là nhiệt độ Dòng nhiệt luôn truyền từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp nên có thể tìm nó thông qua chênh lệch nhiệt độ trong hệ, nghĩa là dòng nhiệt sẽ xảy ra khi tồn tại Gradien nhiệt độ trong hệ Do vậy, việc nghiên cứu về sự phân bố nhiệt độ trong hệ là yếu tố quan trọng trong vấn đề truyền , đây là nhiệm vụ chính khi tính toán thiết kế cũng như tính toán kiểm tra Nắm vững nội dung của quy luật trao đổi nhiệt chúng ta có thể tăng cường hoặc hạn chế sự trao đổi nhiệt giữa các vật tùy theo yêu cầu của thực tế Khi nghiên cứu về truyền nhiệt, chúng ta vẫn sử dụng định luật thứ nhất và định luật thứ hai của nhiệt động kỹ thuật Dựa vào định luật thứ nhất để xác định cân bằng năng lượng, dựa vào định luật thứ hai để xác định chiều hướng của quá trình truyền nhiệt.Truyền nhiệt là một quá trình phức tạp xảy ra đồng thời ba dạng trao đổi nhiệt cơ bản là: Trao đổi nhiệt là dẫn nhiệt, trao đổi nhiệt đối lưu và trao đổi nhiệt bức xạ Dẫn nhiệt là một dạng truyền nhiệt năng từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp do sự truyền động năng hoặc va chạm các phần tử và nguyên tử

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

Dẫn nhiệt xảy ra bên trong vật thể hoặc giữa các vật thể tiếp xúc với nhau khi có sự chênh lệch nhiệt độ ngay tại những điểm tiếp xúc

Dẫn nhiệt không chỉ có mặt trong các vật thể rắn, mà còn có mặt trong cả chất lỏng và cả chất khí

2.1.2 Trao đổi nhiệt đối lưu

Trao đổi nhiệt đối lưu là một phương thức trao đổi nhiệt xảy ra giữa chất lỏng tiếp xúc bề mặt vật rắn Khi đó, giữa chúng sẽ có sự chênh lệch nhiệt độ tại những nơi tiếp xúc nhau Tại những điểm tiếp xúc nhau, nhiệt độ của lớp chất lỏng sẽ trao đổi nhiệt với bề mặt vật rắn Khi đó nhiệt độ của lớp chất lỏng sẽ khiến cho mật độ của chất lỏng thay đổi Sự chênh lệch mật độ chất lỏng sẽ làm xuất hiện những chuyển động tạo thành một dòng đối lưu, đồng thời dòng đối lưu này sẽ mang đi một lượng nhiệt

Có 2 loại đối lưu hiện nay là: Đối lưu tự nhiên: Là quá trình trình chuyển động của chất lỏng khi nhiệt độ giữa các vùng chất lỏng khác nhau làm mật độ của chúng khác nhau dẫn tới các chuyển động đối lưu Đối lưu cững bức: Là quá trình chuyển động của chất lỏng do các tác nhân cơ học bên ngoài như là máy nén, bơm, quạt, … Cũng có thể nói rằng trong đối lưu cưỡng bức luôn có đối lưu tự nhiên

2.1.3 Trao đổi nhiệt bức xạ

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

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

2.3 Các tính chất của môi chất R744 (CO 2 )

Các đặc tính của môi chất R744 được biết lả rất khác so với các môi chất lạnh thông thường CO2 là môi chất làm lạnh tự nhiên, không cháy, không có tiềm năng suy giảm Ozon (ODP = 0) và có hệ số nóng lên toàn cầu thấp (GWP = 1) Áp suất hơi của nó cao hơn và có công suất làm lạnh (22.545 KJ/m3 ở 0℃) lớn hơn gấp 3-10 lần khi so với các môi chất CFC, HCGC Khi nhìn vào sơ đồ vùng chuyển pha của môi chất R744

Ta thấy nhiệt độ và áp suất tới hạn của môi chất R744 là 73.8 bar và 31.1℃ Còn nhiệt độ và áp suất cho điểm ba thể là -57℃ và 4.2 bar Tương ứng, với áp suất bão hòa ở 0℃ là 35 bar Chênh lệch áp suất ở 0℃ đối với CO2 là 0,47 [17] cao hơn nhiều so với áp suất của chất lỏng thông thường Hình 2 và Hình 3 thể hiện biểu đồ áp suất – enthalpy và nhiệt độ - entropy của môi chất R744

Hình 2: Đồ thị lgp-h của môi chất R744 [17]

Hình 3: Đồ thị T-s môi chất R744 [17]

2.3.2 Ưu nhược điểm của môi chất CO 2 Ưu điểm:

 Công suất làm lạnh cao

 Giá thành sản xuất thấp và dễ dàng tìm kiếm

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

 Có độ chênh áp thấp trong đường ống làm việc và trên thiết bị trao đổi nhiệt Ví dụ sự tác động của đường hút dài và đường lỏng rất nhỏ

 Ít độc và không bắt lửa

 Không gây ăn mòn với tất cả các loại vật liệu

 Hệ thống có nguy cơ rò rỉ cao Do đó thiết kế của các hệ thống R744 có cấu tạo phức tạp dẫn đến giá thành khá cao

 Các thiết bị trong hệ thống cần được kiểm định an toàn thường xuyên do chúng phải làm việc ở áp lực cao

Thực nghiệm là một phương pháp thu thập thông tin được thực hiện bởi những quan sát trong điều kiện gây biến đổi đối tượng khảo sát và môi trường xung quanh đối tượng khảo sát một cách có chủ định Phương pháp này được sử dụng khá phổ biến trong các nghiên cứu kỹ thuật, y học và một số lĩnh vực nghiên cứu khác

Thực nghiệm cho phép tác động lên đối tượng nghiên cứu một cách chủ động, can thiệp vào quá trình thay đổi tự nhiên của đối tượng nghiên cứu nhằm hướng kết quả theo mong muốn của người nghiên cứu Có thể nói rằng đây là một phương pháp mang tính chủ động và sáng tạo trong việc cải tiến thực tiễn và có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nghiên cứu

2.4 Công thức tính tính toán liên quan

Mối tương quan giữa lưu lượng gió và tốc độ gió:

G = .V ( kg/s) Trong đó: F là diện tích mặt cắt ngang của quạt: F = r 2 , m 2

 là khối lượng riêng của môi chất, kg/m 3 v tốc độ quạt m/s Trong quá trình thực nghiệm này tất các các thông số như F,  giữ nguyên vận tốc gió thay đổi nên ta xem như việc thay đổi lưu lượng là thay đổi vận tốc gió trong quá trình thực nghiệm

Công thức nhiệt động học:

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

Năng suất giải nhiệt cho G kg môi chất lạnh tại thiết bị làm mát:

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

Hệ số COP của chu trình lạnh:

Cơ sở thực nghiệm

Thực nghiệm là một phương pháp thu thập thông tin được thực hiện bởi những quan sát trong điều kiện gây biến đổi đối tượng khảo sát và môi trường xung quanh đối tượng khảo sát một cách có chủ định Phương pháp này được sử dụng khá phổ biến trong các nghiên cứu kỹ thuật, y học và một số lĩnh vực nghiên cứu khác

Thực nghiệm cho phép tác động lên đối tượng nghiên cứu một cách chủ động, can thiệp vào quá trình thay đổi tự nhiên của đối tượng nghiên cứu nhằm hướng kết quả theo mong muốn của người nghiên cứu Có thể nói rằng đây là một phương pháp mang tính chủ động và sáng tạo trong việc cải tiến thực tiễn và có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nghiên cứu.

Công thức tính tính toán liên quan