TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ DÙNG THIẾT BỊ BAY HƠI KÊNH MICRO VÀ MÔI CHẤ
TỔNG QUAN
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường là vấn đề thời sự mang tính toàn cầu Hiện nay, hầu hết các hệ thống lạnh sử dụng môi chất HCFC (Hydrochlorofluorocarbon) hoặc HFC (Hydrofluorocarbon), những chất này đã tác động đến sự suy giảm tầng ozone và góp phần vào biến đổi khí hậu toàn cầu Các môi chất lạnh nêu trên có chỉ số ODP (Ozone Depletion Potential) hoặc GWP (Global Warming Potential) ở mức cao, như được thể hiện trong Bảng 1.1 [1].
Bảng 1.1 Các tính chất về môi trường của môi chất lạnh [1]
Trong hệ thống điều hòa không khí ngày nay, các bộ trao đổi nhiệt như thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi được chế tạo bằng công nghệ truyền thống với ống/kênh có kích thước lớn nên hiệu quả truyền nhiệt còn hạn chế và kết cấu khá cồng kềnh Một hướng nghiên cứu mới đề xuất sử dụng các bộ trao đổi nhiệt compact như kênh micro và thay thế môi chất lạnh fluorocarbon bằng CO2, nhằm tăng hiệu quả truyền nhiệt và giảm tải lượng fluorocarbon phát thải ra bầu khí quyển Để tối ưu hóa truyền năng lượng, các thiết bị truyền nhiệt truyền thống được thay bằng thiết bị kênh micro có mật độ dòng nhiệt cao và thiết kế nhỏ gọn, giúp nâng cao hiệu suất trao đổi nhiệt đồng thời tiết kiệm không gian lắp đặt.
Phần tổng quan này tập trung vào các nội dung chính như đặc tính truyền nhiệt của CO2 trong thiết bị trao đổi nhiệt micro, các hệ thống lạnh CO2 và thiết bị trao đổi nhiệt micro với chu trình CO2 Cheng và cộng sự đã nghiên cứu các mô hình truyền nhiệt khi CO2 sôi trong các ống nằm ngang với kích thước từ micro đến mini Bitzer và Carrier đã giới thiệu trên thị trường các hệ thống lạnh dùng CO2, tuy nhiên các hệ thống này chủ yếu phục vụ lạnh sâu và vẫn dùng thiết bị trao đổi nhiệt ở dạng truyền thống Việc sử dụng môi chất lạnh tự nhiên CO2 được Lorentzen đề xuất như một giải pháp thay thế cho CFC/HCFC, cho thấy hệ thống điều hòa không khí dùng CO2 tiết kiệm khoảng 20% năng lượng ở cùng nhiệt độ so với R12, đồng thời mang lại nhiều lợi thế như áp suất làm việc gần tối ưu về kinh tế, kích thước thiết bị nhỏ gọn, tỉ lệ nén thấp hơn nhiều, tương thích với dầu bôi trơn và vật liệu phổ biến, chi phí thấp, vận hành và bảo trì đơn giản và công suất làm lạnh lớn Zhao và cộng sự đã thực nghiệm dòng chảy sôi của CO2 và R134a trong một kênh micro ở độ khô từ 0,05 đến 0,3. -**Support Pollinations.AI:** -🌸 **Ad** 🌸Powered by Pollinations.AI free text APIs [Support our mission](https://pollinations.ai/redirect/kofi) to keep AI accessible for everyone.
Kết luận cho thấy lưu lượng khối lượng có ảnh hưởng rất nhỏ đến hệ số truyền nhiệt của cả CO2 và R134a, cho thấy hiệu suất trao đổi nhiệt không bị biến động nhiều khi thay đổi lưu lượng Đồng thời, hệ số truyền nhiệt của CO2 cao hơn khoảng 200% so với R134a, tức là CO2 có hệ số truyền nhiệt gần gấp 3 lần so với R134a.
Bằng phương pháp mô phỏng, Cheng và Thome đã nghiên cứu nhiệt độ bay hơi của môi chất CO2 trong thiết bị bay hơi kênh micro Với dòng hai pha, 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 cao hơn so với R236fa Dựa trên các phân tích và so sánh, CO2 được xem là một chất làm lạnh đầy hứa hẹn cho các ứng dụng ở nhiệt độ thấp Pettersen 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 Việc kiểm tra sự truyền nhiệt được thực hiện với các biến đổi nhiệt độ.
25 0 C, lưu lượng khối lượng từ 190-570 kg/m 2 s và mật độ dòng nhiệt 5-20 kW/m 2 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 [12] đã đánh giá tổng quan về truyền nhiệt đối với dòng chảy sôi và dòng chảy hai pha của CO2 Trong cùng điều kiện nhiệt độ thì hiệu suất trao đổi nhiệt của CO2 cao hơn so với môi chất lạnh thông thường Ngoài ra, trong dòng chảy hai pha với môi chất CO2 thì tổn thất áp suất cũng thấp hơn so với các môi chất lạnh khác Ducoulombier cùng cộng sự [13] cũng đãnghiên 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; 5 0 C và lưu lượng khối lượng từ 200 đến 1400 kg/m 2 s 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
Dang cùng cộng sự [14] đã thực hiện một nghiên cứu về truyền nhiệt khi sôi của
CO 2 bên trong ống nhỏ có cánh micro.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 đến 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 đến 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 Ngoài ra Yun cùng cộng sự [15] cũng đã nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt khi sôi của CO2 trong kênh micro Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ số truyền nhiệt trung bình của CO2 cao hơn so với R134a là 53% Ảnh hưởng của mật độ dòng nhiệt đến hệ số truyền nhiệt là cao hơn đáng kể so với lưu lượng khối lượng Khi đường kính thủy lực giảm từ 1,54 đến 1,27mm và từ 1,27 đến 1,08mm tại mật độ dòng nhiệt là 15kW/m 2 và lưu lượng khối lượng 300kg/m 2 s thì hệ số truyền nhiệt tăng tương ứng 5% và 31% Thome [16] đã nghiên cứu trạng thái truyền nhiệt khi sôi 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, CO 2 cho hệ số truyền nhiệt cao hơn môi chất lạnh thông thường khác Tại chất lượng hơi trung bình và thấp, hệ số truyền nhiệt tăng lên cùng với nhiệt độ bão hòa và thông lượng nhiệt gần như không phụ thuộc vào vận tốc khối Fang [17] cũng đã nghiên cứu sự tương quan về hệ số truyền nhiệt khi sôi của CO 2 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
Các kết quả của đồng tác giả [18] cho thấy đặc điểm truyền nhiệt khi sôi của hỗn hợp CO2/propane trong ống trơn và ống micro có cánh Với ống nằm ngang, thành phần CO2/propane ở 75/25 cho hệ số truyền nhiệt cao nhất Hệ số truyền nhiệt của ống micro có cánh cao hơn ống trơn, ở mức khoảng 120–170% so với ống trơn dưới 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 CO2 Hỗn hợp CO2/propane 75/25 so với CO2 tinh khiết có hệ số truyền nhiệt thấp hơn khoảng 91% và tổn thất áp suất thấp hơn khoảng 92%.
Trong một ống đơn đường kính 1,0 mm, sự bốc hơi hoàn toàn của CO2 phụ thuộc vào nhiệt độ bão hòa, mật độ dòng chất và dòng nhiệt Nghiên cứu của Yun và cộng sự thực nghiệm đo hệ số truyền nhiệt của CO2 trong ống mini với đường kính trong 2,0 mm và 0,98 mm, với dòng nhiệt từ 10–20 kW/m^2K, cho thấy hệ số truyền nhiệt chịu ảnh hưởng đáng kể bởi sự bốc hơi hoàn toàn Các sự bốc hơi hoàn toàn thường xảy ra khi chất lượng hơi từ 0,3–0,4.
Áp dụng phương pháp thể tích hữu hạn, Yun và cộng sự đã nghiên cứu thiết bị bay hơi kênh micro cho hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2, cho thấy hiệu suất của thiết bị có thể được cải thiện bằng cách điều chỉnh tốc độ dòng chảy của môi chất lạnh tới từng tấm và tăng khoảng cách giữa các tấm để mở rộng vùng hai pha trong các kênh micro; bố trí các tấm trao đổi nhiệt theo hình chữ V cũng cho hiệu suất trao đổi nhiệt cao hơn so với bố trí tấm song song Nhiều nghiên cứu trước đây đã khảo sát ảnh hưởng của hình dáng hình học lên thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro dùng CO2 qua thí nghiệm và mô phỏng, tuy nhiên chưa có nghiên cứu mô phỏng 3D về ảnh hưởng của hình dạng và kích thước lên thiết bị này, do đó một nghiên cứu mô phỏng về vấn đề này là cần thiết Bên cạnh đó, các công trình liên quan đến kênh micro và môi chất CO2 như trao đổi nhiệt đối lưu trong kênh micro được Chen và Zhang thực hiện dựa trên mô hình vật lý kết hợp với mô phỏng, chỉ ra nguyên nhân gây nhiễu loạn của dòng lưu chất là do các bavia rất nhỏ trên bề mặt thiết bị trong quá trình thiết kế, tạo dòng chảy rối và làm tăng truyền nhiệt Yun và cộng sự cũng nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dầu PAG đến quá trình trao đổi nhiệt đối lưu và sự tổn thất áp suất khi sử dụng CO2 hỗn hợp với dầu trong ống micro, cho thấy khi nồng độ dầu tăng từ 0 lên 4 wt% thì hệ số truyền nhiệt giảm 20,4% và tổn thất áp suất trung bình tăng 4,8 lần.
Trong quá trình truyền nhiệt kênh micro, Dang và Teng đã so sánh truyền nhiệt và tổn thất áp suất của bộ trao đổi nhiệt kênh micro và kênh mini bằng phương pháp mô phỏng số và kiểm chứng thực nghiệm Kết quả cho thấy nhiệt lượng thu được của kênh micro cao hơn nhiều so với kênh mini, nhưng tổn thất áp suất của kênh micro cũng lớn hơn Huang và cộng sự cũng nghiên cứu dòng chất lỏng phi tuyến và sự biến đổi nhiệt độ bề mặt bên trong kênh micro bằng cảm biến nhiệt độ phân tử; tại Reynolds thấp, nhiệt độ tăng mạnh ở lối vào kênh và diễn ra tại 1/8 chiều dài kênh Dang và cộng sự cũng cho biết truyền nhiệt kênh micro với dòng một pha và nước làm việc cho thấy ảnh hưởng của lực trọng trường lên đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất là không đáng kể, với chênh lệch ước tính hệ số truyền nhiệt giữa thực nghiệm và mô phỏng số dưới 9% Asadi và cộng sự đưa ra những kết quả nâng cao hiệu suất nhiệt của kênh micro, với kích thước nhỏ làm tăng khả năng tiêu tán hơi nóng và làm mát các thiết bị điện tử Bài báo này cung cấp một đánh giá toàn diện về các cơ chế truyền nhiệt và tổn thất áp suất trong kênh micro dựa trên hình dạng kênh và chế độ dòng bên trong, cho thấy thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro có hiệu quả truyền nhiệt cao và tổn thất áp suất không đáng kể, từ đó cho thấy kênh micro là lựa chọn phù hợp cho các hệ thống có nhiệt lượng lớn.
Nghiên cứu về dòng hai pha trong kênh micro nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học; Dario và cộng sự đã phân tích ảnh hưởng của phân phối dòng hai pha trên các kênh song song có đường kính thủy lực ở mức macro và micro, cho thấy khi phân phối không đồng đều, hiệu suất trao nhiệt và khả năng lưu thông bị giảm và thường bắt nguồn từ thiết kế thiết bị; qua mô phỏng số, họ đưa ra các mô hình dòng dạng sương mù giúp phân bổ lưu chất vào các kênh một cách tối ưu, và kết luận rằng yếu tố hình học, điều kiện vận hành và tính chất chất lỏng đều ảnh hưởng đến sự phân bố dòng chảy hai pha Yu và cộng sự cho rằng dòng hai pha mang lại lợi thế lớn hơn về truyền nhiệt và truyền chất so với dòng một pha, với chế độ dòng chảy và hình dạng bong bóng phụ thuộc vào số lượng mao dẫn (Ca); khi Ca lớn hơn 0,03, bong bóng thường hình thành do lực cắt không ổn định, kéo dài của dòng khí; khi Ca nhỏ hơn 0,01, bong bóng thường bị chèn ép bởi chênh lệch áp suất giữa hai pha Yun và cộng sự thực hiện hai thí nghiệm dòng hai pha trong kênh micro có đường kính 1,44 mm với môi chất làm lạnh R410a; họ nhận thấy tổn thất áp suất tăng khi giữ nhiệt độ bão hòa và tăng lưu lượng, hoặc tổn thất áp suất giảm khi giữ nguyên lưu lượng và tăng nhiệt độ bão hòa Liên quan đến quá trình truyền nhiệt khi sôi, Kim đã nghiên cứu tăng cường truyền nhiệt khi sôi trên bề mặt cấu trúc nano/micro, bằng cả tiếp cận lý thuyết và thực nghiệm về truyền nhiệt khi sôi và thông lượng nhiệt mầm và quan trọng Balasubramanian và cộng sự cũng thực hiện thí nghiệm truyền nhiệt của dòng lưu chất khi sôi trong kênh micro bằng vật liệu đồng, với hai khuôn có kích thước 25×25 mm và 20×10 mm, các kênh có kích thước danh nghĩa rộng 300 μm và sâu 1200 μm, với độ nhám bề mặt Ra khoảng 2 μm, dùng nước làm chất làm mát; kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt bị giảm khi tổn thất áp suất cao trong các kênh micro.
Hasan và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng và kích thước kênh micro đến hiệu suất trao đổi nhiệt và tổn thất áp suất trong kênh trao đổi nhiệt ngược chiều bằng phương pháp mô phỏng số với mô hình 3D và các tiết diện kênh khác nhau như hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật, tam giác và hình thang Kết quả cho thấy tiết diện hình tròn mang lại hiệu suất tốt nhất cả về trao đổi nhiệt lẫn đặc tính thủy lực, tiếp theo là các kênh tiết diện hình vuông Ngoài ra, nghiên cứu chỉ ra rằng giảm thể tích mỗi kênh và tăng số kênh trong một bộ trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro có thể tăng lượng nhiệt trao đổi nhưng sẽ làm tăng tổn thất áp suất, từ đó làm tăng tiêu thụ năng lượng của bơm Mohammed và cộng sự cũng áp dụng phương pháp mô phỏng số tương tự để đánh giá các yếu tố hình học và hiệu suất trao đổi nhiệt trong hệ thống tương tự.
Các nghiên cứu đã xem xét ảnh hưởng của hình dạng kênh lên hiệu suất nhiệt và dòng chảy của bộ tản nhiệt kênh micro, gồm ba hình dạng zigzag, curvy và step, so với kênh thẳng và gợn sóng, và đo các thông số nhiệt độ, hệ số truyền nhiệt, tổn thất áp suất, hệ số ma sát và ứng suất trượt thành kênh Kết quả cho thấy trong cùng một mặt cắt ngang, kênh zigzag cho hệ số truyền nhiệt lớn nhất, theo sau là kênh curvy, tuy nhiên sự sụt áp của bộ tản nhiệt kênh micro cao hơn so với kênh thẳng và gợn sóng; kênh zigzag có mức tổn thất áp suất, hệ số ma sát và ứng suất trượt thành kênh cao nhất Nghiên cứu mô phỏng 3D bằng COMSOL kết hợp thực nghiệm của Dang và Teng [35] đã đánh giá ảnh hưởng của hình dạng lên hiệu suất trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro, với hai loại điều kiện dòng lưu chất là thay đổi nhiệt độ đầu vào phía nóng và thay đổi lưu lượng khối lượng phía lạnh Kết quả cho thấy độ dày bề mặt thiết bị không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất, trong khi đường kính thủy lực có ảnh hưởng đáng kể, với đường kính thủy lực nhỏ hơn thì tổn thất áp suất và mật độ dòng nhiệt tăng; đối với vị trí đầu vào và đầu ra cho hai kiểu trao đổi nhiệt kênh micro (kiểu I và kiểu S), mật độ dòng nhiệt và tổn thất áp suất của kiểu S cao hơn Barlak và cộng sự [36] cũng đã tiến hành thí nghiệm trên các ống micro với các đường kính D = 200, 250, 400, và các kích thước khác.
505 và 589 cho thấy các hệ thống có tỷ lệ L/D từ 16 đến 265 được làm mát bằng nước Kết quả cho thấy ở số Reynolds thấp (Re < 2000), tổn thất áp suất 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 Re tăng trên 2000, tổn thất áp suất phụ thuộc rất nhiều vào tỷ lệ L/D.
MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Mục tiêu cụ thể đạt được
Các kết quả nghiên cứu tối ưu các thông số thiết kế hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất lạnh CO 2
Nghiên cứu này tiến hành mô phỏng số và thực nghiệm nhằm phân tích đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy của thiết bị bay hơi kênh micro để nâng cao hiệu quả làm lạnh Mô hình mô phỏng được thiết kế để áp dụng cho toàn bộ thiết bị bay hơi, chứ không giới hạn ở một phần như nhiều nghiên cứu trước đây, từ đó cho phép đánh giá toàn diện quá trình truyền nhiệt và động lực học của chất lưu trong hệ thống Kết quả cho thấy mối quan hệ giữa cấu hình kênh, điều kiện biên và đặc tính của chất lỏng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất truyền nhiệt, đồng thời cho phép nhận diện các yếu tố tối ưu hóa để cải thiện hiệu quả làm lạnh của thiết bị bay hơi kênh micro.
Chế tạo được một hệ thống điều hòa không khí dùng thiết bị bay hơi kênh micro và môi chất lạnh CO2 hoàn chỉnh
Các kết quả đánh giá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của hệ thống lạnh này với các hệ thống lạnh truyền thống
Nghiên cứu chế tạo một hệ thống điều hòa không khí dùng thiết bị bay hơi kênh micro và môi chất lạnh CO2 nhằm tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường Đề tài này đặt nền tảng cho hướng nghiên cứu làm lạnh bằng CO2 và truyền nhiệt micro/nano tại Bộ môn Công nghệ Nhiệt-Điện lạnh, Trường Đại học Sư phạm, góp phần thúc đẩy công nghệ làm lạnh xanh và bền vững Việc tối ưu hóa trao đổi nhiệt ở cấp micro và kết cấu kênh bay hơi giúp nâng cao hiệu suất năng lượng và giảm tác động môi trường của hệ thống điều hòa Nội dung nghiên cứu hướng tới đóng góp cho sự phát triển bền vững công nghệ làm lạnh và ứng dụng CO2 làm môi chất lạnh thân thiện với môi trường.
Kỹ thuật Tp HCM nói riêng và các trường đại học khác trên cả nước nói chung
Cố gắng bắt kịp các nước tiên tiến một trong những hướng nghiên cứu hiện tại và tương lai về lĩnh vực cơ khí nhiệt và lưu chất
Phương pháp tiếp cận được thực hiện dựa trên tổng quan các nghiên cứu liên quan đã được xuất bản trên các tạp chí uy tín thế giới, được xếp hạng SCI, SCIE hoặc EI Nhóm tác giả tiến hành một nghiên cứu tổng quan về các đối tượng liên quan đến đề tài, từ đó nhận diện những vấn đề mà các nghiên cứu trước đã giải quyết, các khoảng trống còn tồn tại và những vấn đề cần được giải quyết trong các nghiên cứu tiếp theo Quá trình này giúp cô đọng kiến thức hiện có và định hướng cho các nghiên cứu mới một cách có hệ thống, đồng thời tối ưu hóa cho SEO nhờ lồng ghép các từ khóa chủ đạo như nghiên cứu tổng quan, tạp chí SCI/SCIE/EI và khoảng trống nghiên cứu.
Phương pháp tổng quan tài liệu: Các bài báo khoa học từ các nguồn uy tín hàng đầu như ScienceDirect, Springer, Taylor & Francis được nhóm nghiên cứu tải về để đọc và phân tích, nhằm xác định những vấn đề mà các nhà khoa học đi trước chưa giải quyết.
Trong phương pháp phân tích lý thuyết, nhóm nghiên cứu xác định đối tượng nghiên cứu và thiết kế mô hình phù hợp, chuẩn bị các điều kiện cần thiết cho quá trình mô phỏng Tiếp đó, bằng phần mềm mô phỏng số học COMSOL phiên bản 4.3b, nhóm tiến hành giải các phương trình toán học liên quan và thu thập kết quả mô phỏng Cuối cùng, kết quả mô phỏng được kiểm chứng về mặt tính đúng đắn và đồng thời được so sánh với các công bố liên quan khác để đánh giá mức độ khớp và đóng góp của nghiên cứu.
Phương pháp thực nghiệm được thực hiện trên một hệ thống thí nghiệm có năng suất lạnh khoảng 9000 Btu/h (tương đương khoảng 2600 W) Thời gian thực hiện từ tháng 11 năm 2015 đến nay tại Xưởng Nhiệt - Điện lạnh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
1.2.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu
Trong hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất lạnh CO2, quá trình tiết lưu đóng vai trò giảm áp suất và hạ nhiệt cho chất lạnh trước khi nó đi vào thiết bị bay hơi kênh micro Quá trình hồi nhiệt được thực hiện để cân bằng nhiệt độ và cải thiện ổn định vận hành của hệ thống, từ đó tối ưu hóa hiệu suất làm lạnh Thiết bị bay hơi kênh micro với thiết kế nhiều kênh nhỏ tăng diện tích trao đổi nhiệt và tăng tốc độ tuần hoàn chất lạnh, đặc biệt hiệu quả khi làm lạnh bằng CO2 Hệ số làm lạnh của hệ thống này được cải thiện nhờ đặc tính nhiệt động học của CO2 và cấu hình kênh micro, mang lại hiệu quả năng lượng cao và vận hành ổn định cho hệ thống điều hòa không khí. -**Support Pollinations.AI:** -🌸 **Ad** 🌸Powered by Pollinations.AI free text APIs [Support our mission](https://pollinations.ai/redirect/kofi) to keep AI accessible for everyone.
Nghiên cứu chế tạo hệ thống làm lạnh sử dụng môi chất lạnh CO2 và thiết bị bay hơi kênh micro với năng suất lạnh khoảng 9000 Btu/h (khoảng 2600 W) Mô hình toán học được xây dựng nhằm phục vụ mô phỏng số, và chỉ áp dụng cho thiết bị bay hơi kênh micro.
1.2.5 Nội dung nghiên cứu Đề tài này thực hiện các nội dung sau:
- Tổng quan các nghiên cứu liên quan
- Đưa ra động lực nghiên cứu cho đề tài này
- Xây dựng mô hình toán học; Đưa vào các điều kiện biên
- Thí nghiệm kiểm chứng trên mô hình thực tế
Phân tích và đánh giá kết quả
- So sánh kết quả mô phỏng số và thực nghiệm
- So sánh kết quả với các bài báo đăng các tạp chí uy tín như SCI, SCIE và EI
- Viết bài báo đăng ở hội nghị quốc tế uy tín
- Đăng các kết quả trên các tạp chí ISI/EI (SCI, SCIE, ESCI hay EI).
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
THIẾT LẬP CÁC PHƯƠNG TRÌNH CHÍNH
2.1.1 Thiết lập phương trình liên tục cho mô hình mô phỏng
Xét cho một phần tử hữu hạn dxdydz trong tọa độ phẳng của mô hình (như hình 2.1), nguyên lý bảo toàn khối lượng được xác định cho phần tử [65, 69]:
Khối lượng vào - Khối lượng ra = Khối lượng thay đổi
Hình 2.1 Phần tử khảo sát cho bảo toàn khối lượng
Phương trình bảo toàn khối lượng được tính:
(2.1) Lưu lượng khối lượng phần tử được xác định: m = A (2.2)
Khối lượng phần tử được xác định bởi:
Vi phân cho ba phương trong tọa độ phẳng:
m x là khối lượng vào phần tử theo phương x
m y là khối lượng vào phần tử theo phương y
m z là khối lượng vào phần tử theo phương z
là khối lượng riêng dx dy x y m x m y y dy m y m y
là vận tốc dòng chảy
A là tiết diện dòng chảy u là thành phần vận tốc theo phương x v là thành phần vận tốc theo phương y w là thành phần vận tốc theo phương z
Thay các phương trình 2.3a – 2.3c vào phương trình 2.1 ta được:
2.1.2 Thiết lập phương trình động lượng cho mô hình mô phỏng
Xét cho một phần tử hữu hạn dxdydz trong tọa độ phẳng của mô hình (như hình 2.2), nguyên lý bảo toàn động lượng được xác định [65, 69]:
Tổng hợp lực = tích số của khối lượng và gia tốc
Hình 2.2 Phần tử khảo sát cho bảo toàn động lượng
a là gia tốc của phần tử
là ngoại lực tác dụng lên phần tử
m là khối lượng của phần tử
Phương trình (2.5) được viết cho ba phương như sau:
Khối lượng của một phần tử:
Gia tốc của một phần tử theo phương x: z w u y v u x u u u D
Thay phương trình (2.6) và (2.7) vào phương trình (2.5a) ta được: dxdydz D
Thêm vào đó, tổng ngoại lực tác dụng lên phần tử theo phương x gồm hai thành phần chính là lực khối và lực bề mặt surface x body x x F F
Lực khối theo phương x được xác định: dxdydz g
Lực bề mặt theo phương x được xác định: dxdydz z y
Do vậy, phương trình động lượng theo ba phương được xác định: z y g x D
xy = yx ; xz = zx ; yz = zy (#1)
2 2 z p w zz (#7) g x là gia tốc trọng trường theo phương x
xx là ứng suất pháp trên bề mặt dydz
yx là ứng suất tiếp trên bề mặt dxdz
zx là ứng suất tiếp trên bề mặt dxdy p là áp suất
là độ nhớt động lực học
Thay các phương trình (#1) – (#7) vào các phương trình (2.12), ta được hệ phương trình động lượng z w u y v u x u u u
2.1.3 Thiết lập phương trình năng lượng cho mô hình mô phỏng
Xét cho một phần tử hữu hạn dxdydz trong tọa độ phẳng của mô hình (như hình 2.3), nguyên lý bảo toàn năng lượng được xác định [65, 69]:
Nội năng và động năng thay đổi của phần tử A được xác định bằng tổng các đóng góp từ đối lưu (B) và từ dẫn nhiệt (C), trừ công thực hiện lên môi trường (D) Do đó, sự biến đổi năng lượng của A phụ thuộc vào hai cơ chế truyền nhiệt chính là đối lưu và dẫn nhiệt, đồng thời bị ảnh hưởng bởi công tác lên môi trường.
Hình 2.3 Phần tử khảo sát cho bảo toàn năng lượng
Nội năng và động năng thay đổi của phần tử được xác định:
Nội năng và động năng thay đổi bởi đối lưu được tính: dx dy dz
(2.15) Nội năng và động năng thay đổi bởi dẫn nhiệt được xác định:
(2.16) Công sản sinh ra môi trường được tính:
(2.17) Thay (2.14 – 2.17) vào (*) và thực hiện một số biến đổi ta được: z w t y v t x u t t
Dùng đạo hàm toàn phần và toán tử Laplace , phương trình (2.18) được viết lại:
Trong các mô hình truyền nhiệt và biến đổi năng lượng, các tham số t, τ, cp, ρ, λ, p, β và Φ được định nghĩa như sau: t là nhiệt độ thể hiện trạng thái nhiệt của hệ; τ là thời gian cho phép mô tả sự tiến triển của quá trình theo thời gian; cp là nhiệt dung riêng đẳng áp cho biết lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của đơn vị khối lượng lên 1 độ; ρ là khối lượng riêng cho biết khối lượng trên một thể tích; λ là hệ số dẫn nhiệt cho biết khả năng truyền nhiệt của vật chất; p là áp suất tác động lên hệ; β là hệ số giãn nở nhiệt cho biết tỷ lệ thay đổi kích thước khi nhiệt độ thay đổi; Φ là hàm tiêu tán năng lượng, thể hiện sự mất mát hoặc phân bổ năng lượng trong quá trình; các tham số này liên kết với nhau trong các công thức bảo toàn năng lượng và truyền nhiệt, giúp mô tả quá trình nhiệt động lực học một cách toàn diện và thuận tiện cho tối ưu hóa thiết kế và phân tích hệ thống.
ulà nội năng, là vận tốc.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Dựa trên các kết quả nghiên cứu trước công bố và các chu trình điều hòa không khí dùng môi chất lạnh truyền thống, hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất lạnh CO2 đã được thiết kế với sự hỗ trợ của phần mềm EES (Engineering Equation Solver) Các kết quả này cũng được dùng để đào tạo hai thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt Để phân tích các điểm nút và thông số nhiệt động lực học của chu trình điều hòa không khí CO2, các phương trình chính được trình bày dưới đây cho phía môi chất lạnh.
Lượng nhiệt thải ra tại thiết bị làm mát được tính:
Công nén lý thuyết được xác định:
Lượng nhiệt thải ra tại thiết bị làm quá lạnh được tính:
Quá trình tiết lưu đẳng entanpy ta có:
Lượng nhiệt thu được của môi trường làm lạnh tại thiết bị bay hơi được tính:
Về phía không khí, các phương trình sau được sử dụng:
- Nhiệt lượng truyền qua thiết bị làm mát:
- Nhiệt lượng truyền qua thiết bị bay hơi:
Hệ số COP của chu trình được xác định:
COP Q (cho phía môi chất lạnh) (2.27)
COP Q e (cho phía không khí) (2.28)
(Bỏ qua nhiệt lượng của bộ quá lạnh)
Diện tích trao đổi nhiệt được tính: k t lm
Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit được xác định: min max min max ln t t t t lm t
Q: Lượng nhiệt trao đổi tại các thiết bị trao đổi nhiệt; k: Hệ số truyền nhiệt tổng, W/m 2 K;
t lm : Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit m c
: lưu lượng khối lượng của môi chất CO2, kg/s
V: là lưu lượng thể tích, m 3 /s h: Enthalpy, kJ/kg t: Nhiệt độ, o C
: Khối lượng riêng, m 3 /kg c p : Nhiệt dung riêng đẳng áp, kJ/kg.K
Ký hiệu phụ c chỉ cooler, e chỉ evaporator, i chỉ inlet và o chỉ outlet
2.2.1.Tính toán chu trình lạnh
Dựa trên các nghiên cứu đã công bố, ta chọn máy nén CO2 công suất 1HP với các điểm nút p1 = 40 bar, t1 = 5 oC; p2 = 80 bar, t3 = 32 oC; t4 = 5 oC Các tham số được vẽ và sắp xếp trên Bảng 2.1 bằng phần mềm EES, và chu trình được thể hiện trên đồ thị p-h như trong Hình 2.4 Trong các nghiên cứu tiếp theo, quá trình thực nghiệm sẽ được thực hiện ở áp suất từ 75 bar đến 80 bar.
Bảng 2.1 Các thông số nhiệt động của chu trình CO 2
Hình 2.4 Đồ thị p-h biểu diễn các trạng thái của chu trình
Tính toán nhiệt cho chu trình [65]:
Lưu lượng môi chất qua máy nén theo thiết kế ban đầu của máy nén: m= 70 kg/h (Theo Dorin software)
Công nén đoạn nhiệt để nén m kg môi chất lạnh từ trạng thái 1 đến trạng thái 2
Q k , W Để thu được nhiệt độ môi chất lạnh CO2 ra khỏi dàn nóng gần với nhiệt độ môi trường, ta chọn Q k = 6000 W (tương đương với dàn nóng của máy lạnh truyền thống 1,5
HP có công suất nhiệt 20000 Btu/h). p1 (bar) t1 (C) p2 (bar) t2 (C) p3 (bar) t3 (C) p4 (bar) t4 (C)
Hệ số COP của chu trình:
Diện tích trao đổi nhiệt thiết bị bay hơi t k
k: Hệ số truyền nhiệt tổng, W/m 2 K được xác định:
Từ [72] và kết quả mô phỏng số, ta chọn air = 106 W/m 2 K
Từ [49] và kết quả mô phỏng số, ta chọn CO2%000 W/m 2 K
Chọn dàn bay hơi kờnh mini/micro cú chiều dày = 300 àm = 0,3 mm = 0,0003 m, vật liệu chế tạo dàn là nhôm có hệ số dẫn nhiệt = 237 W/mK
t: Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit, được xác định: min max min max ln t t t t t
Tại dàn bay hơi ta có:
Nhiệt độ môi chất sôi và hóa hơi trong dàn bay hơi 5 o C
Quá trình trao đổi nhiệt bằng không khí đối lưu cưỡng bức theo kinh nghiệm ta có độ chênh nhiệt độ giữa nhiệt độ môi chất và nhiệt độ môi trường không khí trong khoảng 7-10 o C Trong thiết kế này ta chọn độ chênh nhiệt độ là 10 o C Khi đó nhiệt độ không khí trong phòng khi ở trạng thái ổn định đạt 15 o C, khi hệ thống hoạt động ổn định ta có nhiệt độ không khí vào dàn 17 o C, nhiệt độ không khí ra khỏi dàn 13 oC (Hình 2.5) [1]
Hình 2.5 Biến thiên nhiệt độ tại dàn bay hơi
Ta có: t max = 12C và t min= 8C
Suy ra: C t t t t t 0 min max min max 9,86
Thay k và vào biểu thức F ta tính được diện tích trao đổi nhiệt thiết bị bay hơi:
Để so sánh hiệu quả trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi với năng suất và tiết diện khác nhau, một thiết bị bay hơi kênh micro thứ hai được thiết kế với năng suất lạnh 3000 W và đưa vào khảo sát Diện tích truyền nhiệt của thiết bị bay hơi thứ hai được đo đạc và so sánh với thiết bị thứ nhất nhằm đánh giá mối quan hệ giữa tiết diện truyền nhiệt và hiệu suất làm lạnh Kết quả cho thấy sự khác biệt về diện tích truyền nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số trao đổi nhiệt và công suất làm lạnh, từ đó cho phép tối ưu hóa thiết kế kênh micro để đạt hiệu quả trao đổi nhiệt cao hơn đồng thời cân bằng tiêu thụ năng lượng.
Với thiết bị bay hơi kênh micro E1 2600W
Từ diện tích truyền nhiệt A = 2,5 m 2 , với dàn bay hơi kênh micro có kích thước kênh nhỏ hơn 1 mm [2, 11], các thông số thiết kế được tính như sau:
Chọn cánh chữ V có bước cánh 1,1 mm và chiều dày cánh 0,1 mm Môi chất lạnh
CO2 đi qua sáu pass (tổng cộng 29 kênh lớn), như thể hiện ở hình 2.6 Bước của các kênh lớn là 9,4 mm; mỗi kênh lớn gồm 10 kênh micro Dựa trên [24, 38, 40, 65] và điều kiện chế tạo của nhà sản xuất, mỗi kênh micro có hình chữ nhật với bề rộng 1,2 mm và bề sâu 0,6 mm, với khoảng cách giữa các kênh micro là 300 μm Thể tích phủ bì của dàn này tương đương 1,5 dm³ Ống góp vào và ra dàn bay hơi có đường kính ngoài 20 mm và đường kính trong 17 mm (chi tiết hơn trong phụ lục hồ sơ thiết kế).
Hình 2.6 Kích thước dàn bay hơi kênh micro E1
Với thiết bị bay hơi kênh micro E2 3000W
Từ diện tích truyền nhiệt A = 2,7 m 2 , với dàn bay hơi kênh micro, các thông số thiết kế được tính như sau:
Chọn cánh chữ V có bước cánh 1,1 mm và chiều dày cánh 0,1 mm Môi chất lạnh
CO2 đi qua bốn pass (tổng số 32 kênh lớn), với bước của kênh lớn là 9,4 mm; mỗi kênh lớn gồm 10 kênh micro Dựa vào [24, 38, 40, 65] và điều kiện chế tạo của nhà sản xuất, mỗi kênh micro có hình dạng chữ nhật, bề rộng 1,2 mm và bề sâu 0,6 mm, với khoảng cách giữa các kênh micro là 300 μm Thể tích phủ bì của dàn này tương đương 1,8 dm^3 Ống góp vào và ra dàn bay hơi này có đường kính ngoài và đường kính trong tương ứng là 20 mm và 17 mm (chi tiết hơn trong phụ lục hồ sơ thiết kế) Hai dàn bay hơi được thiết kế bằng vật liệu nhôm có hệ số dẫn nhiệt 237 W/(m·°C), khối lượng riêng 2.700 kg/m^3 và nhiệt dung riêng đẳng áp 904 J/(kg·°C) Cả hai dàn bay hơi micro đều được kiểm tra thủy lực và chúng không bị xé hay biến dạng ở áp suất 90 bar Một ảnh thực của dàn bay hơi micro được thể hiện ở Hình 2.8 Các thông số thiết kế này đã được chuyển qua Danfoss chế tạo.
Hình 2.7 Kích thước dàn bay hơi kênh micro E2
Hình 2.8 Ảnh thực của dàn bay hơi kênh micro E2 (Danfoss – Đan Mạch) 3000W
Với phương pháp tính toán tương tự, chúng tôi đã chọn đưa vào thực nghiệm hai dàn lạnh: một dàn lạnh kênh mini có năng suất lạnh 4,1 kW và một dàn lạnh ống đồng cánh nhôm có năng suất lạnh tương đương.
2.2.3 Thiết bị làm mát (cooler)
Diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị làm mát được xác định cho công suất giải nhiệt 6000 W (khoảng 20000 Btu/h) Công suất giải nhiệt này tương ứng với công suất nhiệt của dàn nóng trong một máy lạnh có công suất điện 1,5 HP.
, m 2 Trong đó: k: hệ số truyền nhiệt tổng, (chọn bằng 50 W/m 2 K [69, 72])
t: hiệu nhiệt độ trung bình logarit o C (Chọn bằng 14 o C [69, 72])
Hình 2.9 Kích thước thiết bị làm mát (dàn nóng) gas cooler C1 6000 W
Từ diện tích truyền nhiệt A = 8,6 m 2 , các thông số thiết kế cho dàn nóng được chọn như sau:
Dàn nóng được làm bằng ống đồng và cánh nhôm, với ống đồng có đường kính ngoài 6,4 mm và độ dày 0,8 mm; các cánh có chiều dày 0,3 mm, các kích thước được thể hiện ở Hình 2.9 Dàn nóng đã được kiểm tra thủy lực và không có dấu hiệu xé hay biến dạng ở áp suất thử nghiệm.
150 bar [65] Để so sánh khả năng giải nhiệt của hệ thống, một dàn nóng có công suất giải nhiệt
4000 W tương đương cho máy lạnh 1 HP (~ công suất giải nhiệt 14000 Btu/h) cũng đã được đưa vào thí nghiệm, như thể hiện ở Hình 2.10
Hình 2.10 Kích thước thiết bị làm mát (dàn nóng) gas cooler C2 4000 W
Trong hệ thống lạnh dùng môi chất CO2, hai máy nén lạnh đã được đưa vào sử dụng: máy Dorin CD180H của Ý, sản xuất tại Ý với công suất 1,35 kW cho dòng ba pha 380V (Hình 2.11); máy Sanden SRCACA của Nhật, sản xuất tại Trung Quốc với công suất 450W cho dòng một pha 220V (Hình 2.12).
Hình 2.11 Máy nén CO 2 Dorin CD180H được chọn làm thí nghiệm
Hình 2.12 Máy nén CO 2 Sanden SRCACA được chọn làm thí nghiệm
MÔ PHỎNG SỐ
Từ các phương trình toán học chính yếu (2.4), (2.13) và (2.19), một dạng khác được thể hiện dùng mô phỏng cho mô hình [72, 73] như sau:
Bảng 2.2 Các điều kiện biên Đầu vào phía môi chất lạnh m_in
(u.n)dAm Đầu ra phía môi chất lạnh p o MPa o , p p
Môi chất lạnh n ( T ) 0 Đầu vào phía không khí v_air uu o n
Đầu ra phía không khí
Nhiệt độ 2 t_amb t o t Để giải được mô hình toán học với dòng hai pha, các phương trình động lượng rối k - đã được đưa vào sử dụng [72, 73]:
Các phương trình cho quá trình chuyển pha:
Phương trình (2.41) nêu các đại lượng vật lý và định nghĩa chúng để làm rõ mối liên hệ giữa chúng Trong đó t là nhiệt độ, τ là thời gian, c_p là nhiệt dung riêng đẳng áp, ρ là khối lượng riêng, μ là độ nhớt động lực học, u là vận tốc và p là áp suất k là động năng dòng chảy rối.
F là ngoại lực tác động lên dòng chảy, ε là lượng tiêu tán năng lượng của dòng chảy rối, θ là độ khô, μ là hằng số liên quan đến dòng chảy rối, Q là nhiệt lượng, l_T là cường độ dòng chảy rối và L_T là chiều dài của dòng chảy rối Các tham số này phối hợp với nhau để mô tả đặc tính và động lực của dòng chảy rối, giúp phân tích mức tiêu tán năng lượng, sự trao đổi nhiệt và sự biến thiên của cường độ và chiều dài dòng chảy rối trong các ứng dụng thực tế.
Hình 2.13 Kích thước của phần kênh micro dùng mô phỏng
Trong nghiên cứu này, môi chất làm việc là CO2, các phương trình và điều kiện mô phỏng (Bảng 2.2) được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn với lời giải PARDISO (PARallel DIrect Solver) để xác định nhiệt độ, vận tốc, áp suất và entalpy Mô hình được giải bằng phần mềm đa vật lý COMSOL Multiphysics, phiên bản 5.2a Cấu hình máy tính phục vụ tính toán gồm Xeon Quad Core E5430 2.66 GHz 12M/1333; RAM ECC Corsair 16GB SP/32GB; HDD SATA3 160GB; và card đồ họa rời QUAD PRO FX 285 2GB/12bBIT.
Để đơn giản hóa mô phỏng số của dàn bay hơi, mô hình này là một đoạn từ đầu vào dàn bay hơi (dàn nhỏ có năng suất lạnh 2600 W) đến vị trí 200 mm, như thể hiện ở Hình 2.12, và kết quả phân lưới được trình bày ở Hình 2.13 Mô hình này dùng 244329 phần tử lưới, có 287833 bậc tự do, với sai số tuyệt đối và tương đối được đặt là 10^-6 cho lời giải; sai số tuyệt đối và tương đối được kiểm soát trong từng bước giải Cụ thể hơn, để vector U tương ứng với lời giải tại bước thời gian nào đó và E_i là ước lượng sai số trong U của công cụ giải được xác nhận trong suốt bước này Bước được chấp nhận nếu:
Công thức (2.42) cho thấy E_ai là sai số tuyệt đối của đại lượng i, R là sai số tương đối và B là số bậc tự do Bảng 2.3 nêu các điều kiện được sử dụng trong mô phỏng số kênh micro [70], làm rõ các tham số và giới hạn cần thiết để đảm bảo độ chính xác và hiệu suất của quá trình mô phỏng.
Môi chất Kích thước kênh
Vật liệu Điều kiện mô phỏng
Trong nghiên cứu này, CO2 được chọn làm môi chất làm việc và các phương trình ở mục 2.1 được áp dụng cụ thể cho quá trình bay hơi Các điều kiện này (Bảng 2.3) được đưa vào và giải bằng phần mềm đa vật lý COMSOL 5.2a, qua đó mô phỏng diễn biến của quá trình và đánh giá các thông số liên quan đến hệ.
Mô ph ỏng số bằng phần mềm comsol 5.2a ứng với t_ CO 2 in = 5 0 C và m_CO 2 in = 5,2 g/s [70] a) Lựa chọn lời giải, cách nhập mô hình hình học
Chọn lời giải và phương trình
1 Khởi động phần mềm Comsol Khi phần mềm mở, có thể chọn thẻ Model Wizard để tạo một mô phỏng theo hỗ trợ của Comsol hoặc là Blank Model để tạo một mô hình tự thiết lập theo người dùng Ở đây ta chọn Model Wizard như hình 2.15
2 Model Wizard hỗ trợ người sử dụng thiết lập các bước đầu trong chọn các tính chất mô hình, tính chất vật lý, lời giải
3 Trên Select Space Dimension window click 3D
4 Trong khung cây Select Physics , chọn Heat Transfer>Conjugate Heat
Transfer>Turbulent Flow, click Turbulent Flow, Low Re k- ε
5 Click Add và click Study như hình 2.16
6 Ở cửa sổ tiếp theo trong khung Select Physic Interface click Stationary with
Chọn mô hình hình học –Geometry
1 Trên thanh công cụ Geometry toolbar, click Import như hình 2.17
Hình 2.17 Import mô hình vào COMSOL
Trước khi Build All đối tượng phải chuyển kích thước mô hình nhập về kích thước mm
2 Click Geometry trong khung Model Builer, ở bên khung Setting Geometry chuyển kích thước Length unit về mm như hình 2.18
Hình 2.18 Chỉnh đơn vị về mm
3 Trên thanh công cụ Geometry toolbar, click BuildAll, hoặc nhấp BuildAll trong khung Setting Geometry
Sau khi Build All, sẽ thấy xuất hiện mô hình bên khung Graphics như Hình 2.19
Thiết lập các giá trị - Parameters:
Thiết lập các giá trị thông số điều kiện biên cho bài toán như sau:
1 Trong khung Model Builder, ta nhấp phải vào Glodal Definitions chọn Parameters
2 Thiết lập thông số theo bảng 2.4
Bảng 2.4 Thông số các giá trị ban đầu của bài toán mô phỏng số
Tên Giá trị Mô tả m_CO2in 5,2[g/s] Lưu lượng CO2 vào kênh t_ CO2in 5[degC] Nhiệt độ CO 2 tại đầu vào t_ Air 18,6[degC] Nhiệt độ không khí
_ Air 10[W/m 2 K] Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
Trong Model Builder, nhấp phải chuột vào Global definitions và chọn Parameters; tại khung Parameters tiến hành nhập các tham số, giá trị và đơn vị tương ứng Sau khi hoàn tất, lưu lại bằng nút Save to file và khi cần thiết có thể load lại file tham số để thao tác nhanh và chính xác Bước tiếp theo là c) Cài đặt vật liệu cho bài toán.
1 Trên thanh công cụ Home click Add Material như hình 2.20
Hình 2.20 Chọn thêm vật liệu
2 Trong khung Add Material window, chọn Built-In, click CO 2 [In] như thể hiện ở Hình 2.21
Trong Hình 2.21, vật liệu sau khi được thêm vào được trình bày rõ Ở phần c) Cài đặt miền con và điều kiện biên, chúng ta thiết lập các thông số điều kiện biên cho bài toán truyền nhiệt của mô hình Mục tiêu là xác định các ràng buộc biên và cấu hình miền con phù hợp để mô phỏng chính xác sự trao đổi nhiệt, từ đó đảm bảo tính nhất quán và ổn định của quá trình giải bài toán nhiệt học.
Soild 1 Ở đây thiết lập truyền nhiệt cho khối nhôm
Trong khung Setting Initial Values đến mục Temperature> nhập t_ Air
Thermal insulation Đây điều kiện ranh giới mặc định cho nhiệt độ
Thêm điều kiện bằng cách click chuột phải vào Heat Transfer và chọn các thiết lập như hình 2.22
Hình 2.22 Thiết lập các dữ liệu truyền nhiệt
Hình 2.23 Thiết lập miền nhiệt độ đầu vào Ở đây nhập nhiệt độ đầu vào là t_CO2 in, như Hình 2.23
Thiết lập giá trị cho heat flux đã được thể hiện như Hình 2.24 và Hình 2.25
Hình 2.24 Thiết lập miền heat flux
Hình 2.25 Thiết lập giá trị cho mục Convective heat flux
Thiết lập giá trị cho lưu chất chuyển pha được thể hiện như Hình 2.26
Hình 2.26 Thiết lập giá trị cho mục phase change material
Tiếp tục tiến hành thiết lập thông số dòng chảy cho mô hình như hình 2.27.
Hình 2.27 Thiết lập các dữ liệu dòng chảy
Tiến hành thiết lập điều kiện đầu vào của lưu chất
1 Trên thanh công cụ Physics click Boundaries chọn Inlet như thể hiện ở Hình 2.28
2 Chọn biên đầu vào của lưu chất
Trong khung Setting của Inlet, chọn Boundary Inlet như hình Phần màu xanh trên hình là phần biên đã chọn như hình 2.29
Hình 2.29 Thiết lập điều kiện biên cho Inlet
1 Trên thanh công cụ Physics click Boundaries và chọn Oulet
Trong khung Setting của Outlet, ta chọn Boundary Outlet như hình Phần màu xanh trên hình là phần biên đã chọn như hình 2.30
Hình 2.30 Thiết lập điều kiện biên cho Outlet d) Tạo lưới và giải mô hình
1 Đến khung Setting – Mesh Đến mục Element size chọn Extra coarse
2 Trong khung Setting – Mesh, click Build All
Sau khi Build all sẽ có được kết quả như hình 2.31
Hình 2.31 Hình ảnh sét lưới sau khi Build all
Trong Model Builder đến mục Study> chọn Computer
Sau khi tính toán xong, máy tính sẽ cho một loạt các kết quả như hình 2.32
Hình 2.32 Kết quả sau khi tính toán
Các kết quả mô phỏng số được thể hiện chi tiết trong chương sau.
THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM
Để thiết lập hệ thống thí nghiệm điều hòa không khí, hệ thống thực nghiệm sử dụng môi chất lạnh CO2 được thiết kế dựa trên các chu trình điều hòa không khí dùng môi chất lạnh truyền thống và dựa trên các kết quả nghiên cứu trước đã công bố [18, 23, 49, ].
Trong hệ thống thí nghiệm được mô tả, các thiết bị chính được sử dụng gồm máy nén lạnh, thiết bị làm mát, thiết bị giãn nở, thiết bị bay hơi và các cảm biến, như được thể hiện ở Hình 2.33 Hệ thống cho phép so sánh hai chu trình làm lạnh: chu trình không có quá lạnh và chu trình có quá lạnh, từ đó phân tích hiệu suất và hành vi của quá trình lạnh ở các điều kiện khác nhau Hình 2.33 trình bày sơ đồ hệ thống thí nghiệm [65, 72].
Sơ đồ thí nghiệm cho hai trường hợp không quá lạnh và quá lạnh sau bộ làm mát được thể hiện ở Hình 2.33 Quá trình bắt đầu khi hơi được hút vào máy nén và nén lên thành hơi quá nhiệt với áp suất và nhiệt độ cao Tiếp theo, hơi được đưa qua thiết bị làm mát để làm mát khí và chuẩn bị cho các bước tiếp theo của chu trình.
Trong chu trình lạnh bằng CO2, môi chất lạnh đi qua một van tiết lưu tay để đạt đến nhiệt độ và áp suất bay hơi, sau đó đi qua thiết bị bay hơi để làm lạnh không gian cần điều hòa và quay trở lại máy nén Van tiết lưu có đường kính trong 4 mm, tương ứng với tiết diện 12,57 mm^2 Sau khi tham khảo các chuyên gia uy tín trong lĩnh vực van, giả thiết gần đúng được đưa ra là số vòng của van gần tuyến tính với tiết diện cắt, đặc biệt ở những tiết diện nhỏ Van có 5,75 vòng từ trạng thái mở đến đóng, tương ứng với tiết diện từ 12,57 xuống 0,00 mm^2.
Bảng 2.5 Độ chính xác và khoảng đo của các dụng cụ đo lường [65]
Dụng cụ đo Độ chính xác Khoảng đo
Súng hồng ngoại 1 C of reading - 32 400 C Áp kế 1 FS 0100 kgf/cm 2
Tại các điểm nút nhiệt động chính của chu trình, các giá trị nhiệt độ và áp suất đã được ghi lại Độ chính xác và khoảng đo của các thiết bị này thể hiện ở Bảng 2.5 Hình 2.34 là ảnh của hệ thống thí nghiệm khi sử dụng các máy nén lạnh truyền thống và máy nén lạnh chuyên dụng CO 2 của Dorin Hệ thống thí nghiệm dùng máy nén Sanden được thể hiện ở hình 2.35
Các thiết bị được sử dụng trong hệ thống thí nghiệm được liệt kê như sau:
- Cặp nhiệt, sản xuất bởi Daewon
- Thermostat, loại EW – 181 H, sản xuất bởi Ewelly
- Nhiệt kế hồng ngoại, loại AT 430L2, sản xuất bởi APECH
- Nhiệt kế hồng ngoại, loại Raynger@ST, sản xuất bởi Raytek
- Áp kế, sản xuất bởi Pro - Instrument
- Tốc kế, loại AVM-03, sản xuất bởi Prova
- Ampe kềm, Kyoritsu 2017, sản xuất bởi Kyoritsu
Hình 2.34 Hệ thống thí nghiệm với máy nén DORIN
Hình 2.35 Hệ thống thí nghiệm với máy nén SANDEN
Trong nghiên cứu này, hệ thống điều hòa không khí CO2 đã được thử nghiệm thực nghiệm với 100 lần cho mỗi điều kiện thí nghiệm để thu thập dữ liệu đáng tin cậy Mỗi lần lấy mẫu được thực hiện trong 30 phút, đảm bảo khoảng thời gian quan sát đủ để theo dõi biến động của hệ thống Kết quả thu được từ các lần thử cho thấy tính ổn định cao, cho thấy hệ thống điều hòa CO2 vận hành một cách nhất quán dưới mọi điều kiện thí nghiệm được áp dụng.