Nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ bay hơi trong máy lạnh ghép tầng r32 CO2

Nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ bay hơi trong máy lạnh ghép tầng r32 CO2 Nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ bay hơi trong máy lạnh ghép tầng r32 CO2 Nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ bay hơi trong máy lạnh ghép tầng r32 CO2

TỔNG QUAN

Lý do chọn đề tài nghiên cứu

Ngày nay, kỹ thuật lạnh được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như ngành công nghiệp, nông nghiệp, y tế, quốc phòng và điều hòa không khí Để làm lạnh ở nhiệt độ thấp, người ta sử dụng máy lạnh nhiều cấp và máy lạnh ghép tầng; một trong những ưu điểm chính của chu trình lạnh ghép tầng là tận dụng được ưu điểm của môi chất lạnh cho mỗi tầng để nâng cao hiệu quả làm lạnh Vì vậy, hầu hết các hệ thống lạnh ghép tầng chú ý đến việc lựa chọn cặp môi chất lạnh sao cho hệ thống hoạt động với hiệu quả cao, tăng hệ số làm lạnh và giảm thiểu tác động đến môi trường Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu chưa chú ý nhiều đến quá trình truyền nhiệt diễn ra như thế nào trong thiết bị ngưng tụ – bay hơi của máy lạnh ghép tầng.

Các hệ thống lạnh truyền thống sử dụng môi chất lạnh chứa Clo như CFC và HCFC, khi bị rò rỉ sẽ bay lên tầng thượng lưu khí quyển gây hiệu ứng lồng kính và tác động làm thủng tầng ozone của Trái Đất, từ đó làm biến đổi khí hậu toàn cầu Vì vậy một số môi chất lạnh có tiềm năng ít ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu và bảo vệ môi trường được nghiên cứu và xem xét thay thế các chất chứa Clo trong một số hệ thống lạnh, điển hình như NH3, các môi chất lạnh HFC, không khí, nước muối NaCl, hỗn hợp nước-etylen glycol và CO2 (R-744).

Gần đây, nhu cầu nghiên cứu các thiết bị truyền nhiệt và hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng CO2 làm môi chất kết hợp với các môi chất lạnh khác đang nhận được sự quan tâm lớn từ nhiều tác giả Dựa trên các nghiên cứu trước đó, việc khảo sát đặc tính truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ – bay hơi trong hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng CO2 với các môi chất lạnh khác là yếu tố then chốt để tối ưu hiệu suất và thiết kế Cụ thể, các công trình tập trung vào quá trình trao đổi nhiệt ở ngưng tụ và bay hơi, ảnh hưởng của các thông số vận hành như lưu lượng, nhiệt độ và áp suất, cũng như cách tối ưu cấu trúc thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả làm lạnh cho các hệ thống cascade, đặc biệt khi áp dụng môi chất R32 và các biến thể liên quan.

CO2 là hết sức cần thiết

Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước:

Trong nghiên cứu của Wang và cộng sự [1], chu trình ghép tầng CO2 siêu tới hạn được phân tích về mặt nhiệt động lực học khi tích hợp với nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng sinh khối Hệ thống CO2 siêu tới hạn được đề xuất để tận dụng đồng thời hai nguồn năng lượng này, nhằm tối ưu hóa hiệu suất của chu trình Kết quả cho thấy hiệu suất nhiệt của toàn hệ thống đạt 40,1%.

Zhang và cộng sự đã thực hiện đánh giá chuẩn hiệu quả của bộ trao đổi nhiệt giãn nở bên trong vòi phun trong chu trình làm lạnh CO2 Kết quả cho thấy việc bổ sung IHE vào chu trình làm lạnh CO2 làm tăng tỷ lệ hút vào vòi phun và nâng cao hiệu suất phun, đồng thời giảm phục hồi áp suất ở dưới ngưỡng áp suất làm mát khí.

Gupta cùng cộng sự [3] đã thực hiện đánh giá “Hiệu suất của hệ thống lạnh

Bài viết thảo luận về CO2 qua tới hạn với công phục hồi tuabin trong bối cảnh Ấn Độ và cho thấy để cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ làm lạnh CO2, cần thay đổi chu trình sang trạng thái qua tới hạn Để làm rõ, tác giả thực hiện một nghiên cứu dựa trên mô phỏng nhằm phân tích hiệu suất của chu trình CO2 qua tới hạn có công phục hồi tuabin, xem xét các tham số vận hành và điều kiện nhiệt độ-áp suất tại khí hậu Ấn Độ Kết quả cho thấy tối ưu hóa chu trình và sự tích hợp công hồi tuabin có tiềm năng nâng cao hiệu suất năng lượng và giảm tiêu thụ năng lượng cho hệ thống làm lạnh CO2 ở khu vực này.

Nghiên cứu của Xu và cộng sự thực nghiệm đánh giá hiệu quả của bộ trao đổi nhiệt bên trong hệ thống vòi phun CO2 bằng cách so sánh hai cấu hình: hệ thống phun CO2 không có IHX (EJE–S) và hệ thống phun CO2 có IHX ở trạng thái tới hạn (EJE–IHX–S) Kết quả thí nghiệm cho thấy IHX làm giảm đóng góp của bộ phun vào hiệu năng tổng thể của hệ thống, tức là sự có mặt của IHX làm yếu đi vai trò của bộ phun trong quá trình phun CO2.

Liên quan đến hệ thống làm lạnh CO2 tới hạn với ống mao quản, Song và cộng sự [5] đã nghiên cứu khả năng thích ứng của ống mao dẫn trong hệ thống này bằng một mô hình dòng chảy riêng biệt dành cho CO2 ở ống mao quản Kết quả cho thấy COP dao động từ 82% đến 98% khi có độ lệch 10°C giữa nhiệt độ đầu ra của bộ làm lạnh khí thực và giá trị thiết kế.

Yang và cộng sự đã nghiên cứu cách giảm thiểu tổn thất COP trong chu trình CO2 qua tới hạn bằng cách tối ưu hóa áp suất ở mức cao Thông qua các nghiên cứu điển hình về chu trình chuyển CO2 qua tới hạn ở một giai đoạn, họ chứng minh rằng tổn thất COP tối đa từ phương pháp tối ưu hóa áp suất cao thông thường có thể được giảm đáng kể, từ 71% xuống còn 0,7%.

Thí nghiệm về quá trình giãn nở và quá nhiệt của chu trình CO2 bằng thiết bị bay hơi vi mạch kênh Micro được thực hiện bởi tác giả Đặng Thành Trung và đồng sự [7] Trong nghiên cứu này, diện tích mặt cắt ngang của van giãn nở giảm từ 8,195 mm² xuống 0,091 mm² khiến áp suất làm lạnh tăng và áp suất bay hơi giảm; chênh lệch áp suất giữa bộ làm mát và thiết bị bay hơi cũng tăng lên Khi diện tích mặt cắt nhỏ hơn 0,4 mm², chênh lệch áp suất và công suất đầu vào tăng mạnh.

Tao cùng cộng sự đã thực nghiệm đánh giá hiệu suất của hệ thống điều hòa không khí dân dụng có bộ trao đổi nhiệt bên trong, đồng thời điều tra ảnh hưởng của điều kiện làm việc đối với hệ số COP Kết quả cho thấy các tham số đầu vào của thiết bị bay hơi ít ảnh hưởng đến COP; phạm vi tăng của COP được ghi nhận ở mức dưới 6% và dưới 4% khi xét đến nhiệt độ khí vào của thiết bị bay hơi và các vùng vận tốc tương ứng được khảo sát.

Crespi và cộng sự [9] tiến hành nghiên cứu đánh giá chu trình carbon dioxide siêu tới hạn để phát điện Bài viết xem xét các khái niệm chu trình khác nhau—độc lập hoặc kết hợp với các chu trình khác nhằm sử dụng công nghệ tương tự hoặc khác nhau—đồng thời phân tích bố cục, nhiên liệu, ứng dụng (nguồn riêng hay kết hợp nguồn nhiệt và năng lượng) và điều kiện hoạt động được xem xét và phân loại dựa trên cấu hình của chu trình.

Mohammadi và cộng sự [10] đã so sánh hiệu suất năng lượng và exergy của các cấu hình khác nhau trong một hệ thống lạnh hấp thụ CO2 hai tầng, được vận hành bằng một tuabin siêu nhỏ cung cấp nguồn năng lượng cho cả hai thiết bị làm lạnh Bài viết trình bày một phân tích so sánh sáu cấu hình của một tầng nén trong hệ thống lạnh hấp thụ này, cho thấy sự phụ thuộc của hiệu suất hệ thống vào các tham số vận hành Kết quả cho thấy việc tối ưu hóa dòng xả, áp suất làm lạnh và nhiệt độ máy phát có thể làm tăng đáng kể hệ số sử dụng năng lượng của toàn hệ thống.

Yadavalli và cộng sự đã thực hiện phương pháp thu CO2 bằng cách biến đổi bề mặt của than hoạt tính từ sinh khối gỗ linh sam Douglas Các thí nghiệm biến đổi bề mặt than hoạt tính ở nhiệt độ thấp được tiến hành bằng cách sử dụng ammonium sulfate nhằm hình thành các nhóm hoạt tính trên bề mặt và tối ưu hóa khả năng hấp thụ CO2 Kết quả cho thấy quá trình biến đổi này làm tăng đáng kể khả năng hấp phụ CO2 của vật liệu gỗ linh sam Douglas sinh khối dựa trên than hoạt tính, cho thấy tiềm năng ứng dụng của công nghệ này trong thu giữ và lưu trữ CO2.

Girard và cộng sự đã thực hiện công trình nghiên cứu đầu dò quang học nhỏ gọn nhằm đo nhiệt độ ngọn lửa và nồng độ CO2 bằng cách sử dụng tầng laser hấp thụ xen kẽ gần 4.2 μm Tác giả đưa ra một kỹ thuật đo nhiệt độ tại chỗ được phát triển cho ngọn lửa áp suất thấp dựa trên kỹ thuật hấp thụ laser CO2 mới sinh Kết quả cho thấy các phép đo được chứng minh trong phạm vi áp suất 25–60 torr và ở khoảng cách từ 3–23 mm so với mặt đầu đốt cho các ngọn lửa metan, etylen và propan trên một loạt các tỷ lệ tương đương.

Tan cùng cộng sự [13] đã thực hiện đề tài nghiên cứu về lượng khí thải CO2 từ hồ chứa Geheyan trên 4 lưu vực sông Thanh Giang, Trung Quốc Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng thông lượng CO2 trung bình trong hồ chứa Geheyan là 55,69 + 66,33 mg m -2 h -1 Lượng khí thải carbon dioxide thấp hơn vào mùa xuân và mùa hè khi mực nước thường xuyên thay đổi để kiểm soát lũ lụt

Ming cùng cộng sự [14] đã thực hiện việc đánh giá hiệu suất và phân tích cấu hình tối ưu của CO2/NH3 hệ thống làm lạnh ghép tầng với thiết bị Ngưng tụ – Bay hơi kiểu màng Tác giả đã trình bày một hệ thống làm lạnh ghép tầng CO2/NH3, trong đó một thiết bị Ngưng tụ – Bay hơi kiểu màng được sử dụng như bộ trao đổi nhiệt ghép tầng Các kết quả phân tích nhiệt động học của hệ thống cho thấy sự cải thiện hệ số hiệu suất (COP) do chênh lệch nhiệt độ nhỏ được cung cấp bởi thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng

Cai cùng cộng sự [15] đã thực hiện mô hình hóa và tính toán hệ thống làm lạnh carbon dioxide hở, và đề xuất một hệ thống làm lạnh mở dựa trên phân tích tính chất của CO2 cũng như mối quan hệ giữa môi trường lưu trữ CO2 và công suất làm lạnh Bằng cách so sánh giữa các tính toán lý thuyết và kết quả thí nghiệm, họ rút ra một số kết luận quan trọng, trong đó nhấn mạnh rằng hiệu suất làm lạnh phụ thuộc vào điều kiện lưu trữ và các giới hạn vận hành của hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu

Thiết kế và chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt ngưng tụ – bay hơi kiểu ống lồng ống được tối ưu cho công suất thiết kế của hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất R32/CO2 Thiết bị này tích hợp quá trình ngưng tụ và bay hơi trên cùng một cấu trúc ống lồng ống, mang lại hiệu suất trao đổi nhiệt cao, độ tin cậy vận hành và tiết kiệm không gian lắp đặt Phục vụ cho công suất thiết kế của hệ thống lạnh ghép tầng, sản phẩm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và tối ưu hóa chi phí vận hành khi làm việc với R32/CO2 Quy trình sản xuất chú trọng độ bền, dễ bảo trì và hiệu suất ổn định ở nhiều chế độ làm lạnh khác nhau.

- Xác định được nhiệt lượng của bộ trao đổi nhiệt Ngưng tụ – Bay hơi

Xác định các tham số nhiệt động tại các điểm nút của chu trình lạnh ghép tầng ở tầng thấp và tầng cao, từ đó xác lập đặc tính nhiệt động và vẽ đồ thị p–h của chu trình Dựa vào các điểm nút này, đồ thị p–h của chu trình lạnh cascade được dựng lên để minh họa các quá trình nén, bay hơi, ngưng tụ và trao đổi nhiệt giữa hai cấp nhiệt độ Việc so sánh chu trình lý thuyết với thực nghiệm cho phép đánh giá mức độ khớp của mô hình, hiệu chỉnh tham số vận hành và nâng cao hiệu quả của hệ thống lạnh ghép tầng.

Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài

- Tổng quan các nghiên cứu liên quan

- Tính toán thiết kế mô hình

- Thực nghiệm với mô hình đã thiết kế

- Phân tích và tổng hợp các kết quả thực nghiệm

Đề tài thuộc lĩnh vực nghiên cứu còn mới và thời gian làm đề tài có hạn, do đó nhóm nghiên cứu tập trung khảo sát đặc tính truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ – bay hơi trong máy lạnh ghép tầng R32 – CO2 Các đặc tính truyền nhiệt được xem xét gồm nhiệt độ, độ chênh nhiệt độ, diện tích truyền nhiệt, hệ số truyền nhiệt và nhiệt lượng, đồng thời các thông số nhiệt động trong chu trình như nhiệt độ, áp suất, enthalpy, entropy và thể tích riêng được phân tích để làm rõ quá trình trao đổi nhiệt và hiệu suất hệ thống Hệ thống lạnh ghép tầng có năng suất lạnh 1,5 kW và hoạt động ở điều kiện từ nhiệt độ phòng xuống -20°C Dự án thí nghiệm được đặt tại TP Hồ Chí Minh.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp tổng quan tập trung vào rà soát có hệ thống các bài báo khoa học nước ngoài và trong nước liên quan để tổng hợp kiến thức hiện có và nhận diện các khoảng trống nghiên cứu Qua quá trình đánh giá và tổng hợp, đề tài xác định hướng nghiên cứu phù hợp và đề ra mục tiêu nghiên cứu sẽ đạt được sau khi thực hiện, đồng thời làm rõ đóng góp khoa học mà đề tài hướng tới Việc sàng lọc và phân tích các nguồn tài liệu cung cấp cơ sở lý luận và khung tham chiếu cho thiết kế nghiên cứu, lựa chọn phương pháp thu thập và phân tích dữ liệu, cũng như cách diễn giải kết quả trong bối cảnh phát triển của lĩnh vực.

- Phương pháp thiết kế: Lựa chọn thiết bị phù hợp, lắp đặt chế tạo dựa trên các thông số tính toán được và vận hành

- Phương pháp thực nghiệm: Thiết lập mô hình thực nghiệm và tiến hành thực nghiệm

Phương pháp phân tích dữ liệu trong nghiên cứu nhiệt động và truyền nhiệt tập trung vào thực hiện các phép tính tính toán và mô phỏng các quá trình nhiệt động học cũng như truyền nhiệt, từ đó phân tích các tham số và biến số liên quan như nhiệt lượng, công suất và hệ số trao đổi nhiệt Dữ liệu thu thập từ thực nghiệm được xử lý và so sánh với kết quả tính toán và mô hình lý thuyết nhằm đánh giá tính đúng đắn của mô hình, nhận diện sai số và đề xuất cải tiến Quá trình phân tích gồm hiệu chuẩn, làm sạch và xử lý số liệu, đánh giá mức độ khớp giữa lý thuyết và thực nghiệm, từ đó rút ra kết luận về hiệu suất hệ thống và điều kiện vận hành tối ưu.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cacbon điôxít, hay điôxít cacbon, còn được biết đến với các tên gọi khác như thán khí hay khí cacbonic, là một hợp chất tồn tại ở điều kiện bình thường ở dạng khí trong khí quyển Trái Đất Nó gồm một nguyên tử cacbon và hai nguyên tử oxy, có công thức hóa học CO2 Đây là một khí không màu; ở nồng độ thấp không có mùi, còn ở nồng độ cao có mùi mang tính axit Trong dạng rắn, nó được gọi là băng khô.

Carbon dioxide (CO2) được hình thành từ nhiều nguồn khác nhau, gồm khí thoát ra từ núi lửa, sản phẩm cháy của các hợp chất hữu cơ và hoạt động hô hấp của các sinh vật hiếu khí; một số vi sinh vật cũng sản xuất CO2 từ quá trình lên men và hô hấp tế bào Thực vật hấp thụ CO2 trong quá trình quang hợp và sử dụng carbon và oxy để tổng hợp cacbohyđrat, đồng thời giải phóng oxy trở lại khí quyển để các sinh vật dị dưỡng dùng trong hô hấp, tạo thành một chu trình sinh học liên tục CO2 hiện diện trong khí quyển ở nồng độ thấp và đóng vai trò là một khí gây hiệu ứng nhà kính; nó là thành phần chính của chu trình cacbon Tại 25 °C, phân tử CO2 có tỷ trọng riêng khoảng 1,98 kg m−3, nặng hơn không khí khoảng 1,5 lần Mẫu cấu trúc của CO2 (O=C=O) tuyến tính với hai liên kết đôi; CO2 không có lưỡng cực và ở trạng thái oxy hoá nên về mặt hóa học nó không cháy được.

Hình 2.1: Mô tả cấu tạo của CO2 [34]

Hình 2.2 thể hiện đồ thị trạng thái CO2 Với nhiệt độ dưới -78°C, CO2 ngưng tụ thành tinh thể trắng gọi là băng khô CO2 lỏng chỉ tồn tại ở áp suất trên 5,1 bar; ở điều kiện áp suất khí quyển, CO2 sẽ thăng hoa giữa pha khí và pha rắn Điểm ba của CO2 là -56,6°C tại 5,18 bar, và điểm tới hạn là 31,1°C tại 73,8 bar (như hình 2.2) Do nhu cầu hoạt động ở áp suất lên tới 130 bar, cần lưu ý các giới hạn pha và vận hành liên quan đến CO2 ở áp suất cao. -**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.

Với áp suất 1880 psi, hệ thống CO2 đòi hỏi các bộ phận thiết bị có độ bền cao để duy trì hiệu suất và an toàn vận hành Đồng thời, thiết bị cần có van an toàn để đảm bảo hệ thống vận hành an toàn và giảm thiểu rủi ro sự cố.

Một số tính chất của CO2 [35]:

- Cácbon điôxít CO2 là tác nhân lạnh được đưa vào áp dụng ở cuối thế kỷ 19, nó thường được gọi là R744 (nhóm 7, phân tử lượng 44)

Cácbon điôxít (CO2) làm tác nhân lạnh có áp suất làm việc rất cao, vì vậy để sử dụng CO2 làm lạnh, hệ thống cần một tác nhân lạnh phụ để làm lạnh và hạ nhiệt độ Quá trình này giúp CO2 ngưng tụ trong dàn ngưng và duy trì hiệu quả làm lạnh của hệ thống.

- Cácbon điôxít CO2 là khí trơ không gây cháy, không gây gỉ, không tác dụng với dầu bôi trơn

- Cácbon điôxít CO2 lỏng sau khi hóa hơi còn có tác dụng hạn chế vi sinh vật và nấm mốc phát triển

Bảng 2.1: Đặc tính nhiệt động của CO2, NH3 và R22 [35] Đặc tính nhiệt động NH 3 CO 2 R22

Nhiệt ẩn hóa hơi (kJ/m 3 ) 839.463 267.590 274.065

Công suất lạnh riêng (kJ/m 3 ) 1030 8137 1220

COP 6,78 6,29 6,95 Độ nhớt Cp 0,262 0,184 0,323 Độ dẫn nhiệt (W/m.K) 0,671 0,142 0,111

Từ bảng 2.1 ta có một số nhận xét sau:

- Nhiệt ẩn hóa hơi của CO2 xấp xỉ bằng R22 và bằng 1/3 của NH3

- Công suất lạnh riêng của CO2 tính theo kJ/m 3 lớn gấp 7 lần so với R22 và 8 lần so với NH3

- Hệ số COP của CO2 ở nhiệt độ sôi cao không bằng R22 và NH3

Độ nhớt của CO2 thấp hơn so với NH3 và còn thấp hơn nhiều so với R22 Chính đặc tính này khiến máy nén CO2 tiêu thụ điện năng ít hơn so với NH3 và ít hơn rất nhiều so với R22.

Trong thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt, hệ số dẫn nhiệt của CO2 cao hơn đáng kể so với R22 nhưng vẫn thấp hơn nhiều so với NH3, vì vậy thiết bị trao đổi nhiệt cho CO2 thường có kích thước lớn hơn so với thiết bị dùng NH3 để đạt cùng mức trao đổi nhiệt Việc chọn chất làm lạnh và kích thước thiết bị bị ảnh hưởng bởi đặc tính dẫn nhiệt, áp suất vận hành và lưu lượng hệ thống, nên tối ưu hóa thiết kế CO2 tập trung vào nâng cao hiệu suất trao đổi nhiệt đồng thời giảm kích thước, chi phí và không gian lắp đặt.

- Ở áp suất 26 bar NH3 và R22 có nhiệt độ cao hơn môi trường rất nhiều còn

CO2 ở nhiệt độ âm, vì vậy để ngưng tụ CO2 bắt buộc phải dùng một tác nhân lạnh thứ cấp để làm lạnh và đạt trạng thái ngưng tụ Đồ thị đặc tính của CO2 được trình bày trong hình 2.3 [46], cho thấy mối liên hệ giữa nhiệt độ, áp suất và các đặc tính pha của CO2 khi biến đổi điều kiện làm lạnh và ngưng tụ.

Hình 2.3: Đồ thị lgp – h của R744 (carbon dioxide) [46]

Môi chất R-744 (CO2) có ODP = 0 và GWP = 1, cho thấy đây là lựa chọn lạnh có tác động tối thiểu lên tầng ozone và phát thải khí nhà kính được chuẩn hóa ở mức 1 so với CO2 Hình 2.4 cho thấy áp suất bão hòa của R-744 rất cao so với các môi chất lạnh thông dụng [41].

Hình 2.4: Đặc tính áp suất - nhiệt độ của một số môi chất [41]

Hiện nay, các vấn đề môi trường được định hình bởi các nghị định và thỏa thuận quốc tế như Montreal Protocol và Kyoto Protocol, cùng các văn bản pháp lý của Mỹ (Clean Air Act) và các quy định của Liên minh châu Âu về hạn chế khí F‑gas, qua đó các nước áp dụng Luật của hội đồng F‑gas châu Âu để kiềm chế HCFCs và HFCs Yêu cầu giảm thải môi chất lạnh khiến nhiều nhà sản xuất chuyển từ HFCs sang CO2 cho các ứng dụng lạnh, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp và trung bình Nhờ thành công của các hệ thống CO2, hệ thống cascade và hệ thống tiết lưu trực tiếp (DX) ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng nhiệt độ thấp.

Đến năm 2011, đã có 15 hệ thống cascade sử dụng CO2 được lắp đặt Trong số này, môi chất lạnh thứ cấp là glycol được dùng cho các ứng dụng ở nhiệt độ trung bình và tất cả các hệ thống đều được chứng nhận bởi SNAP, UL và ASHRAE, đảm bảo tiêu chuẩn an toàn và hiệu suất cho giải pháp làm lạnh bằng CO2.

Gas R32, hay còn gọi là HFC-32 (Difluoromethane), có công thức hóa học CH2F2 và được phát minh nhằm thay thế các dòng gas cũ như R22 và R410A Đây là môi chất lạnh thế hệ mới có khả năng truyền nhiệt hiệu quả, giúp giảm tiêu thụ điện năng lên tới khoảng 10% so với máy điều hòa sử dụng môi chất lạnh R-22 So với R-22 và R-410A, R32 không chứa chất gây suy giảm tầng ozone và có tiềm năng nóng lên toàn cầu (GWP) thấp hơn đáng kể, chỉ bằng khoảng một phần ba; đồng thời lượng khí thải thấp hơn nhiều so với các loại gas khác trên thị trường, giảm tác động đến môi trường R32 có các đặc điểm và tính chất nổi bật được ghi nhận trong các nguồn tham khảo [37, 38].

- Có đặc tính nhiệt động và nhiệt lạnh rất tốt tương tự như R22 và R502

- Gas R32 không được sử dụng là gas đơn chất vì áp suất và nhiệt độ cuối tầm nén cao

- Gas R32 thường được sử dụng làm thành phần của hỗn hợp gas lạnh R410A, 407C

Gas R32 không độc, TLV = 1000 ppm và AEL = 1000 ppm, cho thấy mức an toàn ở tiêu chuẩn công nghiệp R32 bền vững về nhiệt và hóa, ít bị biến đổi khi chịu các điều kiện làm việc khắc nghiệt, và không tác dụng với vật liệu chế tạo máy phổ biến như thép, đồng, nhôm và đồng thau (trừ kẽm).

Theo kết quả nghiên cứu, gas R32 có hiệu suất làm lạnh cao hơn các loại gas thông thường khoảng 1,6 lần, giúp hệ thống làm lạnh hoạt động hiệu quả hơn và tiết kiệm điện năng Do đó, việc sử dụng gas R32 còn giảm khối lượng gas nạp cho hệ thống, tối ưu hóa chi phí vận hành và tăng tính an toàn cho thiết bị.

Gas R32 là chất lạnh có thành phần đơn chất với GWP 550, thấp hơn nhiều so với gas R410A, giúp giảm lượng khí thải tới 75% và đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường; nhờ đó, nó giảm thiểu hiệu ứng phá hủy tầng ozone và ngăn ngừa sự gia tăng nhiệt độ do hiệu ứng nhà kính Hình 2.5 thể hiện hướng phát triển của môi chất lạnh.

Hình 2.5: Hướng phát triển của môi chất lạnh [37]

THIẾT KẾ VÀ THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM

THIẾT KẾ VÀ THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM

3.1 Tính toán thiết kế hệ thống máy lạnh ghép tầng

Dựa trên các nghiên cứu liên quan đã công bố và giới hạn của đề tài, hệ thống lạnh ghép tầng R32/R744 trong nghiên cứu này được thiết kế dựa vào các thông số tính toán chủ chốt nhằm tối ưu hiệu suất và đảm bảo an toàn vận hành Các tham số này bao gồm nhiệt độ và áp suất làm việc của từng tầng, lưu lượng chất làm lạnh, tải lạnh cần đáp ứng, hiệu suất trao đổi nhiệt của các thiết bị, kích thước và công suất của máy nén, cùng các hệ số COP và hiệu quả năng lượng Việc xem xét đặc tính vật lý của hai chất làm lạnh R32 và R744, không gian làm việc và các giới hạn môi trường giúp đảm bảo tính khả thi và bền vững của hệ thống lạnh ghép tầng được đề xuất.

Năng suất lạnh: Qo = 1,5 kW

Nhiệt độ phòng tp = – 20 0 C Địa điểm lắp đặt: TP Hồ Chí Minh, Việt Nam

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống lạnh ghép tầng R32 – CO2

Trong hệ thống lạnh ghép tầng, chu trình ở tầng trên dùng môi chất R32 với ký hiệu 1’, 2’, 3, 4’, còn chu trình ở tầng dưới dùng môi chất CO2 với ký hiệu 1, 2, 3, 4 như thể hiện ở Hình 3.1 Thiết bị bay hơi của tầng trên giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ của tầng dưới, và thiết bị trao đổi nhiệt Ngưng tụ – Bay hơi trong hệ thống lạnh ghép tầng được dùng để thực hiện nhiệm vụ này.

* Với tầng thấp (môi chất là CO2):

Năng suất lạnh yêu cầu là Q0 = 1,5 kW Nhiệt độ sôi t0 của môi chất lạnh CO2 được xác định theo công thức: t0 = tp – △t 0

Trong đó: △t0 là hiệu nhiệt độ yêu cầu, lấy △t0 = (5÷ 6) 0 C (trong phần chọn nhiệt độ sôi của môi chất lạnh t0 trang 204 [45])

Với tp = –20 0 C, suy ra t0 = tp – 6 = – 26 0 C (nhiệt độ bay hơi của môi chất)

*Với tầng cao (môi chất R32):

Hệ thống sử dụng dàn ngưng tụ giải nhiệt bằng không khí Ta chọn nhiệt độ không khí trước khi vào thiết bị giải nhiệt (tw’) dựa trên nhiệt độ môi trường ở TP Hồ Chí Minh có mái che; tw’ được xác định bằng tmt với tmt = 33°C.

Nhiệt độ không khí vào và ra khỏi dàn ngưng tụ có độ chênh △tkk = (3÷ 4) 0 C (trong phần chọn nhiệt độ ngưng tụ tk trang 205 [45])

Ta có: △tkk = tw – tw’ tw = △tkk + tw’ = 33 0 C+ 3 0 C = 36 0 C

Trong đó: tw là nhiệt độ không khí ra khỏi dàn giải nhiệt

Nhiệt độ ngưng tụ của R32 được xác định qua công thức: tk’ = tw +△tk

Trong đó:△tk = (3 ÷ 5) 0 C hiệu nhiệt độ ngưng tụ (trong phần chọn nhiệt độ ngưng tụ trang 205 [45])

Chọn △tk = 4 0 C, suy ra tk’ = 36 + 4 = 40 0 C

Trong phần tính toán chu trình của hệ thống lạnh ghép tầng (trang 49 [39]), ta có điều kiện t_k > t_o’ Cụ thể, t_k là nhiệt độ ngưng tụ của môi chất CO2 tại tầng thấp trong thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng, và t_o’ là nhiệt độ bay hơi của môi chất R32 tại tầng cao của thiết bị này.

Do không có phụ tải lạnh trung gian, t_k' và t0' được xác định theo công thức t_k' – t0' = t_k – t0, dẫn tới 40 – t0' = t_k – (–26) Đối với máy lạnh ghép tầng, độ chênh lệch nhiệt độ Δt giữa nhiệt độ ngưng tụ của môi chất tại tầng thấp (CO2) và nhiệt độ bay hơi của môi chất tại tầng cao (R32) trong thiết bị trao đổi nhiệt ngưng tụ - bay hơi có giá trị từ 50°C đến 100°C; chọn Δt = 60°C, ta có công thức liên hệ giữa các tham số vận hành để tối ưu hóa hiệu quả điều hòa.

Với t_k = 10^0 °C và t_o' = 40 °C, để khảo sát các tham số nhiệt động của hệ thống lạnh ghép tầng, ta tính toán riêng cho từng tầng bằng các công thức trong hệ thống lạnh 1 cấp Việc phân tích theo từng tầng giúp xác định nhiệt độ làm việc, áp suất và nhiệt lượng ở mỗi tầng, từ đó đánh giá hiệu suất và đặc tính động lực học của hệ thống, và tổng hợp các thông số thiết kế cho hệ thống lạnh ghép tầng một cách nhất quán và tối ưu.

3.1.1 Tính toán tầng thấp môi chất CO 2

3.1.1.1 Thông số môi trường làm việc

Năng suất lạnh yêu cầu: Q 0 = 1,5 kW

Trong hệ thống lạnh ghép tầng R32 – CO2, nhiệt độ ngưng tụ của CO2 là tk = 10 °C và nhiệt độ bay hơi của CO2 là t0 = −26 °C, với pk = 45,0220 bar và p0 = 16,293 bar, tra bảng hơi bão hòa CO2 trong tài liệu 2017 ASHRAE Handbook-Fundamentals [46].

3.1.1.2 Tính toán các thông số nhiệt động của chu trình

Ta có tỉ số nén của chu trình:

=>Ta chọn chu trình nén 1 cấp

Nhiệt độ quá nhiệt (nhiệt độ hơi hút) th là nhiệt độ của hơi trước khi vào máy nén th = t0 + ∆th , với ∆th = 5 ÷ 15 0 C (trang 208 – tài liệu [45]) Chọn ∆th = 5 0 C

Các thông số nhiệt động của chu trình tầng thấp CO2 được thể hiện ở Bảng 3.1 và Hình 3.2

Bảng 3.1: Thông số trạng thái của chu trình tầng thấp môi chất CO2 (LT)

CHU TRÌNH ĐIỂM NÚT CO 2 (LÝ THUYẾT) Điểm nút Trạng thái t

P (bar) v (m 3 /kg) h (kJ/kg) s (kJ/kg)

Hình 3.2: Đồ thị lg p – h của chu trình tầng thấp CO2 (LT)

Năng suất lạnh riêng: kJ/kg 211,31

Xác định lưu lượng tuần hoàn qua hệ thống: kg/s

Công nén riêng: kJ/kg 8

3 42 4 480 h h l 2  1    Công cấp cho chu trình lạnh: kW 0,2694 38

Năng suất nhiệt riêng: kJ/kg 254,27

Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị giải nhiệt: kW 1,803 254,27

Hệ số lạnh của chu trình:

3.1.1.3 Chọn thiết bị cho hệ thống CO 2 a) Chọn máy nén

Việc lựa chọn máy nén gián tiếp được thực hiện dựa trên mối liên hệ giữa công suất điện của động cơ kéo và công suất nén thực tế mà máy nén có thể đạt được Phân tích mối quan hệ này cho phép đánh giá khả năng đáp ứng tải và hiệu suất của hệ thống nén khí, từ đó xác định công suất động cơ phù hợp với công suất nén cần thiết Nhờ đó, quá trình chọn máy nén gián tiếp có thể tối ưu hóa hiệu suất năng lượng, giảm tổn thất và đảm bảo vận hành ổn định.

Công suất điện động cơ kéo máy nén được tính theo công thức (7-25) trang 219 tài liệu [45]

Trong đó: k là hệ số làm việc an toàn, k = (1,1 ÷ 2,1)

Ns=Lt: Công nén đoạn nhiệt của máy nén

31 η: Hiệu suất nén, η = ηi.η e ηtđ.η el

Với: ηi: Hiệu suất chỉ thị của quá trình nén, ηi được tính theo công thức (7-21) trang

Trong thiết kế hệ thống nén, ηe là hệ số hiệu suất kể đến tổn thất ma sát của các chi tiết máy nén do nhà chế tạo quy định, với giá trị ηe được chọn là 0,95; ηtd là hệ số hiệu suất kể đến tổn thất do truyền động giữa máy nén và động cơ, vì máy nén kín truyền động trực tiếp nên ηtd được chọn bằng 1; ηel là hệ số hiệu suất động cơ điện, được xác định từ khoảng 0,8 đến 0,95 theo trang 218 tài liệu [45], và trong trường hợp này chọn ηel = 0,85.

Hiệu suất nén: η = η i ηe.ηtđ.ηel = 0,8467.0,95.1.0,85 = 0,684

Chọn k = 1,1 Vậy công suất điện máy nén:

Chọn máy nén lạnh CO2 loại SANDEN Model SRcACA có công suất điện 440W b) Tính chọn thiết bị bay hơi

Thiết bị bay hơi có nhiệm vụ trao đổi nhiệt giữa nhiệt độ của môi chất và nhiệt độ của không khí, từ đó đảm bảo quá trình làm lạnh diễn ra hiệu quả Để nâng cao hiệu suất trao đổi nhiệt, người ta ứng dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng Microchannel với cấu trúc các kênh nhỏ có diện tích trao đổi nhiệt lớn, tăng mật độ truyền nhiệt và tối ưu hóa lưu lượng chất làm lạnh Nhờ ưu điểm của microchannel như tiết diện nhỏ, gia tăng hệ số trao đổi nhiệt và giảm kích thước hệ thống, loại thiết bị này giúp làm lạnh nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng và đạt hiệu suất cao trong các ứng dụng điều hòa không khí và làm lạnh công nghiệp.

Ta có, diện tích trao đổi nhiệt được tính theo công thức 8 – 1 trang 260 tài liệu

F: Diện tích trao đổi nhiệt thiết bị bay hơi Microchanel (m 2 ) k: Hệ số truyền nhiệt, W/m 2 K

Q0: Năng suất lạnh của chu trình, Q0 = 1,5 kW

 t : Độ chêch lệch nhiệt độ trung bình Logarit

Từ tài liệu [47], ta chọn hệ số tỏa nhiệt như bảng 3.2 và chiều dày ống, hệ số dẫn nhiệt dàn bay hơi như bảng 3.3

Bảng 3.2: Hệ số tỏa nhiệt của CO2 và không khí [47]

Môi chất CO 2 Không khí

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu α

Bảng 3.3: Thông số chiều dày ống và hệ số dẫn nhiệt dàn bay hơi Micro [47]

Chiều dày ống của TBTĐN Micro δ (mm) 0,0004

Vậy hệ số truyền nhiệt của TBTĐN Microchannel: k = 105,5 (W/m 2 K)

Chọn sơ bộ độ chênh lệch nhiệt độ của thiết bị là ∆𝑡̅̅̅ = 10 ℃ Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt:

(Trong đó, năng suất lạnh của dàn bay hơi là: Q0 = 1,5 kW)

Đề tài tập trung nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ – bay hơi trong máy lạnh ghép tầng R32 – CO2, bao gồm các tham số nhiệt như nhiệt độ, độ chênh nhiệt độ, áp suất, enthalpy, entropy, thể tích riêng, diện tích truyền nhiệt, hệ số truyền nhiệt và nhiệt lượng Đối với dàn bay hơi của môi chất CO2, tác giả chọn thiết bị bay hơi ống dẹp kênh micro có năng suất lạnh khoảng 2,5 kW (thiết bị nhỏ nhất của Danfoss), với các thông số thiết kế như thể hiện ở Hình 3.3.

Hình 3.3: Các thông số kênh Micro 3.1.2 Tính toán tầng cao môi chất R32

3.1.2.1.Thông số môi trường làm việc

Môi chất làm việc tầng cao: R32

Từ nhiệt độ môi trường t_mt = 33 °C, ta chọn t_k' = 40 °C ứng với p_k' = 24,783 bar theo bảng hơi bão hòa CO2 trong ASHRAE Handbook–Fundamentals 2017 [46] Với t0' = 4 °C, ta được p0' = 9,2245 bar từ cùng bảng hơi bão hòa CO2 (tài liệu 2017 ASHRAE Handbook–Fundamentals [46]).

3.1.2.2 Tính các thông số nhiệt động của chu trình

Ta có tỉ số nén của chu trình:

Ta chọn chu trình nén 1 cấp Độ quá nhiệt dàn bay hơi: △tqn = 4 ÷ 7 0 C

Nhiệt độ quá nhiệt: t h = to + △tqn = t o + 4 0 C = 4 + 4 = 8 0 C

Các thông số nhiệt động của chu trình tầng cao R32 được thể hiện ở Bảng 3.4 và Hình 3.4

Bảng 3.4: Thông số trạng thái của chu trình tầng cao dùng R32 (LT)

CHU TRÌNH ĐIỂM NÚT R32 (LÝ THUYẾT) Điểm nút Trạng thái t ( 0 C) P (bar) v

(m3/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kg)

Hình 3.4: Đồ thị lg p – h của chu trình tầng cao R32 (LT)

Năng suất lạnh riêng: kJ/kg 240,35

Năng suất lạnh Q0’ ở tầng cao R32 (là Qk của CO2 với hiệu suất bộ trao đổi nhiệt chọn 95%): kW

Xác định lưu lượng tuần hoàn kg/s

Công nén riêng: kJ/kg 32

Công cấp cho chu trình lạnh: kW 25248 ,

Năng suất nhiệt riêng: kJ/kg 274,39

275,61 550 h h q k'  2  3    Nhiệt lượng nhả ra ở thiết bị giải nhiệt: kW 2,1649 4,39

Hệ số lạnh của chu trình:

3.1.2.3 Chọn thiết bị cho hệ thống a) Chọn máy nén

Việc lựa chọn máy nén gián tiếp dựa trên mối liên hệ giữa công suất điện động cơ kéo bên trong máy nén và công nén thực hiện Mối quan hệ này cho phép đánh giá hiệu suất năng lượng và khả năng đáp ứng tải nén của thiết bị trong điều kiện vận hành thực tế Khi phân tích, người dùng so sánh công suất đầu vào của động cơ với mức công nén mà máy nén có thể tạo ra, từ đó xác định máy nén gián tiếp phù hợp với yêu cầu tải và mục tiêu tiết kiệm năng lượng Lựa chọn tối ưu dựa trên sự cân bằng giữa tiêu thụ điện năng và hiệu suất nén, nhằm tối ưu chi phí vận hành và độ ổn định của hệ thống.

Công suất điện động cơ kéo máy nén được tính theo công thức (7-25) trang 219 tài liệu [45]

Trong đó: k là hệ số làm việc an toàn, k = (1,1 ÷ 2,1)

Ns=Lc: Công nén đoạn nhiệt của máy nén η: Hiệu suất nén, η = ηi.η e ηtđ.η el

Với: η i : Hiệu suất chỉ thị của quá trình nén, ηi được tính theo công thức (7-21) trang

 η e : Hệ số hiệu suất kể đến tổn thất ma sát của các chi tiết máy nén (do nhà chế tạo quy định), chọn η e = 0,95

37 ηtđ: Hệ số hiệu suất kể đến tổn thất do truyền động giữa máy nén và động cơ, vì máy nén kín truyền động trực tiếp nên chọn η tđ = 1 ηel: Hệ số hiệu suất động cơ điện, η el = 0,8 ÷ 0,95 theo trang 218 tài liệu [45] Chọn η el = 0,8

Hiệu suất nén: η = η i ηe.ηtđ.ηel = 0,889.0,95.1.0,8 = 0,67564

Chọn k = 1,2 Vậy công suất điện máy nén:

N dc  s   b) Tính chọn thiết bị ngưng tụ

Thiết bị này có tác dụng giải nhiệt môi chất sau khi ra khỏi máy nén để đưa vào van tiết lưu.Thiết bị giải nhiệt cũng được phân chia thành nhiều loại, nhưng chủ yếu là phân loại theo môi chất giải nhiệt như: không khí, nước, các chất khác…Ở đây, ta sử dụng thiết bị giải nhiệt thỏa mãn các thông số tính toán sau đây:

Diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị giải nhiệt được tính theo công thức 8 – 1 và

F: Diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ (m2) k: Hệ số truyền nhiệt, W/m2K

Q k : Nhiệt lượng nhả ra của thiết bị ngưng tụ

 t : Độ chêch lệch nhiệt độ trung bình Logarit

Theo bảng 8 - 6 trang 263 tài liệu [45], ta tra được mật độ dòng nhiệt của thiết bị: qF = 300 W/m 2 K, với k = 30, t  10

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt:

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Các kết quả thực nghiệm được thu thập từ ngày 20/9/2019 đến ngày 28/02/2020, với nhiệt độ môi trường dao động quanh mức 33°C Một số kết quả thực nghiệm điển hình được trình bày trong bảng 4.1 và bảng 4.2 ở phần dưới, nhằm minh họa các đặc tính quan sát được và hỗ trợ phân tích so sánh giữa các trường hợp thử nghiệm.

Bảng 4.1: Một số kết quả thực nghiệm hệ thống lạnh môi chất CO2

Hệ thống lạnh môi chất CO 2

Nhiệt độ đầu hút máy nén

Nhiệt độ đầu đẩy máy nén

Nhiệt độ sau dàn ngưng tụ

Nhiệt độ sau van tiết lưu

Nhiệt độ phòng lạnh (gió vào DL)

Nhiệt độ gió ra dàn lạnh)

Thông tin từ bảng số liệu 4.1 cho thấy việc điều chỉnh van tiết lưu kết hợp với sự biến đổi của nhiệt độ môi trường đã làm ảnh hưởng đến một số tham số nhiệt động của hệ thống trong quá trình vận hành Nhiệt độ môi trường tăng theo thời gian dẫn đến sự thay đổi các tham số nhiệt động và hiệu suất làm việc của hệ thống Đồng thời áp suất Pk có xu hướng giảm từ mức 47 bar xuống mức thấp hơn theo thời gian, cho thấy mối liên hệ giữa nhiệt độ môi trường và trạng thái làm việc của hệ thống Những kết quả này nhấn mạnh sự ảnh hưởng của điều chỉnh van tiết lưu và điều kiện môi trường đối với hiệu quả vận hành và độ an toàn của hệ thống.

40 bar, áp suất P0 cũng giảm từ 20 bar xuống 15,2 bar Tuy nhiên, nhiệt độ môi trường thay đổi không nhiều (chỉ khoảng 1 0 C) trong thời gian lấy mẫu thí nghiệm này

Bảng 4.2: Một số kết quả thực nghiệm hệ thống lạnh môi chất R32

Hệ thống lạnh môi chất R32

Nhiệt độ đầu hút máy nén

Nhiệt độ đầu đẩy máy nén

Nhiệt độ sau dàn ngưng tụ

Nhiệt độ sau van tiết lưu

Nhiệt độ gió vào dàn ngưng

Nhiệt độ gió ra dàn ngưng

4.1 Phân tích thực nghiệm số liệu tầng thấp sử dụng môi chất CO 2

Sau khi thực nghiệm trên hệ thống lạnh ghép tầng và thu thập đầy đủ số liệu cần thiết, tác giả đã tiến hành tính toán thực tế trên hệ thống đã chế tạo và tiến hành chạy thử Hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất R32 ở tầng trên và môi chất CO2 ở tầng dưới; môi chất R32 đảm nhận nhiệm vụ giải nhiệt cho CO2 thông qua bộ trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống, với ống R32 ở phía ngoài và CO2 ở phía bên trong Sau khi thu thập và xử lý dữ liệu từ hệ thống, tác giả đã xác định bảng tham số trạng thái và các giá trị của tầng thấp như thể hiện ở Bảng 4.3 và Hình 4.1.

Bảng 4.3: Thông số trạng thái của chu trình tầng thấp CO2

CHU TRÌNH ĐIỂM NÚT CO 2 (THỰC NGHIỆM) Điểm nút Trạng thái t ( 0 C) P (bar)

Hình 4.1: Đồ thị lg p – h của chu trình tầng thấp dùng CO2

4.1.1 Sự phân bố nhiệt độ các điểm nút của chu trình giữa lý thuyết và thực nghiệm

Qua đồ thị Hình 4.2, sự phân bố nhiệt độ các điểm nút của chu trình tầng thấp

Các kết quả phân tích cho thấy nhiệt độ tại các điểm nút của hệ CO2 khá phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm Khảo sát cho thấy nhiệt độ sau van tiết lưu của môi chất đạt mức lạnh sâu, cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa điều kiện vận hành và đặc tính lạnh của hệ Những phát hiện này xác nhận sự nhất quán giữa mô hình và thực tế, đồng thời nhấn mạnh vai trò của van tiết lưu và chu trình áp suất trong hiệu suất làm lạnh bằng CO2 Từ đó, có thể tối ưu hóa thiết kế hệ thống và điều kiện vận hành để cải thiện hiệu quả và độ ổn định của hệ lạnh CO2.

26 0 C; độ chênh lệch nhiệt độ trước dàn ngưng tụ (0,9 0 C) và sau dàn ngưng tụ (0,4

Hình 4.2: Sự phân bố nhiệt độ các điểm nút của chu trình tầng thấp CO2

Trong chu trình CO2, các tham số nhiệt độ được xác định tại các điểm chính: t1 là nhiệt độ đầu hút của máy nén CO2, t2 là nhiệt độ đầu đẩy của máy nén CO2, t3 là nhiệt độ sau ngưng tụ CO2, t4 là nhiệt độ sau van tiết lưu CO2 và t1' là nhiệt độ sau dàn bay hơi CO2.

Sự phân bố nhiệt độ các điểm nút của chu trình tầng thấp

CO 2 giữa lý thuyết và thực nghiệm

4.1.2 Sự chênh lệch áp suất các điểm nút của chu trình giữa lý thuyết với thực nghiệm

Từ đồ thị Hình 4.3, kết quả thực nghiệm cho thấy sự mất áp suất nằm trong khoảng 0,39 bar đến 1,02 bar Nguyên nhân của sự mất áp suất này có thể là do môi chất di chuyển qua các đoạn chuyển hướng của ống, qua đường hút máy nén và qua thiết bị bay hơi kênh micro.

Hình 4.3: Sự phân bố áp suất các điểm nút của chu trình tầng thấp CO2

P1: Áp suất đầu hút máy nén CO2

P2: Áp suất đầu đẩy máy nén CO2

P3: Áp suất sau ngưng tụ CO2

P4: Áp suất sau van tiết lưu CO2

P1': Áp suất sau dàn bay hơi CO2

P1 P2 P3 P4 P1' Áp suất (Bar) Áp suất tại các điểm nút của chu trình CO 2

4.2 Tính toán thực tế tầng cao sử dụng môi chất R32

Sau khi hoàn tất tính toán ở tầng thấp, tác giả tiếp tục tiến hành tính toán cho tầng cao của hệ thống và cho ra bảng thông số trạng thái chứa các giá trị liên quan, được trình bày tại Bảng 4.4 và minh họa trong Hình 4.4.

Bảng 4.4: Thông số trạng thái của chu trình tầng cao dùng R32

CHU TRÌNH ĐIỂM NÚT R32 (THỰC NGHIỆM) Điểm nút Trạng thái t ( 0 C) P (bar)

Hình 4.4: Đồ thị lg p – h của chu trình tầng cao R32

Qua số liệu thực nghiệm kết hợp với số liệu tính toán từ lý thuyết, đồ thị cho chu trình R32 cho thấy mức độ khớp giữa lý thuyết và thực nghiệm Hình 4.5 mô tả sự phân bố nhiệt độ tại các điểm nút của chu trình R32 giữa lý thuyết và thực nghiệm, cho phép đánh giá sự đồng nhất và các chênh lệch nhiệt độ tồn tại giữa hai nguồn dữ liệu Hình 4.6 mô tả sự chênh lệch áp suất tại các điểm nút của chu trình R32 giữa lý thuyết và thực nghiệm, từ đó đánh giá độ chính xác của mô hình nhiệt động lực học và tính khả thi của chu trình trong vận hành thực tế.

Hình 4.5: Sự phân bố nhiệt độ các điểm nút của chu trình tầng cao R32

Trong hệ thống lạnh sử dụng chất làm lạnh R32, các tham số nhiệt độ được xác định như sau: t1 là nhiệt độ đầu hút của máy nén R32, t2 là nhiệt độ đầu đẩy của máy nén R32, t3 là nhiệt độ sau ngưng tụ R32, t4 là nhiệt độ sau van tiết lưu R32, và t1' là nhiệt độ sau dàn bay hơi R32.

Sự phân bố nhiệt độ các điểm nút của chu trình tầng cao R32 giữa lý thuyết và thực nghiệm

Từ đồ thị Hình 4.5 ta thấy sự chênh lệch nhiệt độ tại các điểm nút của chu trình R32 rất nhỏ, hệ thống vận hành ổn định

Hình 4.6: Sự phân bố áp suất các điểm nút của chu trình tầng cao R32

P1: Áp suất đầu hút máy nén R32

P2: Áp suất đầu đẩy máy nén R32

P3: Áp suất sau ngưng tụ R32

P4: Áp suất sau van tiết lưu R32

P1': Áp suất sau dàn bay hơi R32

Từ đồ thị Hình 4.6 ta thấy sự chênh lệch áp suất tại các điểm nút của chu trình R32 rất nhỏ, hệ thống vận hành ổn định

Sự phân bố áp suất các điểm nút của chu trình tầng cao R32 giữa lý thuyết và thực nghiệm

4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến các thông số bộ trao đổi nhiệt Ngưng tụ - Bay hơi

Trong bài viết này, từ số liệu thực nghiệm, QCascade được tính dựa trên các tham số của bộ trao đổi nhiệt ngưng tụ - bay hơi đã chế tạo Cụ thể, diện tích chế tạo của bộ trao đổi nhiệt được xác định là F = 0,16 m^2 và hệ số truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt lưu động ngược chiều dạng ống lồng ống được ký hiệu là k Việc sử dụng các tham số này cho phép ước lượng QCascade và phân tích hiệu suất trao đổi nhiệt của hệ ngưng tụ - bay hơi trong điều kiện lưu động.

= 700 W/m 2 K và độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit ( t ) được xác định theo công thức:

2 1 min t' ' t' Δt   min max min max Δt ln Δt Δt Δt  Δt 

Trong đó: t′ 1 : Nhiệt độ CO2 vào cascade ( 0 C) t′′ 1 : Nhiệt độ CO2 ra cascade ( 0 C) t′ 2 : Nhiệt độ R32 vào cascade ( 0 C) t′′ 2 : Nhiệt độ R32 ra cascade ( 0 C)

Nhiệt lượng bộ trao đổi nhiệt Ngưng tụ - Bay hơi (QCascade) được xác định theo công thức:

) Δt ln Δt Δt kF( Δt Δt kF Q min max min max Cascade

Dựa trên số liệu thực nghiệm và áp dụng công thức QCascade, Bảng 4.5 thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường lên thông số nhiệt độ tại các điểm nút và nhiệt lượng QCascade của bộ trao đổi nhiệt Ngưng tụ - Bay hơi.

Bảng 4.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến các thông số của bộ trao đổi nhiệt Ngưng tụ - Bay hơi

Dữ liệu từ Bảng 4.5 và đồ thị Hình 4.7 cho thấy sự biến thiên nhiệt độ tại các điểm nút của bộ trao đổi nhiệt ngưng tụ - bay hơi trong hệ cascade Kết quả cho thấy nhiệt độ CO2 ra khỏi thiết bị cascade hầu như không chênh lệch nhiều so với nhiệt độ R32 ra khỏi cascade; nhiệt độ CO2 ra cascade cao hơn nhiệt độ R32 ra cascade chỉ khoảng 0,5 °C.

Hình 4.7: Ảnh hưởng nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ các điểm nút của bộ trao đổi nhiệt ngưng tụ – bay hơi

Cũng từ số liệu ở Bảng 4.5, sự biến đổi nhiệt lượng bộ trao đổi nhiệt ngưng tụ – bay hơi (Qcascade) và độ chênh lệch nhiệt độ trung bình Logarits được thể hiện rõ giữa các chế độ vận hành khác nhau Các giá trị Qcascade cho thấy cách thức trao đổi nhiệt giữa bộ ngưng tụ và phần bay hơi phụ thuộc vào điều kiện làm việc, trong khi độ chênh lệch nhiệt độ trung bình Logarits cho biết hiệu quả truyền nhiệt ở mỗi điểm làm việc Phân tích song song hai chỉ tiêu này từ bảng dữ liệu giúp định lượng hiệu suất của hệ thống, từ đó cung cấp cơ sở để tối ưu tham số vận hành, cải thiện hiệu quả trao đổi nhiệt và tiết kiệm năng lượng.

Nhiệt độ môi trường ( 0 C) Ảnh hưởng nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ các điểm nút của bộ trao đổi nhiệt Ngưng tụ - Bay hơi

Nhiệt độ trước dàn ngưng tụ CO2 Nhiệt độ sau dàn ngưng tụ CO2Nhiệt độ trước dàn bay hơi R32 Nhiệt độ sau dàn bay hơi R32

Hình 4.8 cho thấy khi nhiệt độ môi trường tăng lên thì công suất nhiệt của thiết bị cascade tăng Cụ thể, khi nhiệt độ môi trường thay đổi từ 32,3 °C đến 33,5 °C, nhiệt lượng của bộ trao đổi nhiệt ngưng tụ - bay hơi cũng thay đổi với một giá trị bắt đầu từ 1546,2.

Trong quá trình phân tích, công suất tăng dần lên tới 1899 W theo chiều hướng tăng Tại nhiệt độ 33°C, kết quả thực nghiệm cho giá trị Qcascade là 1826,5 W, trong khi giá trị lý thuyết là 1803 W, cho thấy mức tương đồng khá tốt giữa thực nghiệm và tính toán.

Hình 4.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarits và nhiệt lượng bộ trao đổi nhiệt Ngưng tụ - Bay hơi (Qcascade)

32,3 32,4 32,4 32,6 32,7 32,7 32,9 33,0 33,0 33,1 33,1 33,2 33,3 33,3 33,4 33,5 33,5 Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit (0C)

Nhiệt lượng bộ trao đổi nhiệt NT -BH (W)

Nhiệt độ môi trường ( 0 C) Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến nhiệt lượng bộ trao đổi nhiệt Ngưng tụ - Bay hơi và t (tb)

Q cascade Độ chêch lệch nhiệt độ trung bình Logarit

4.4 Hệ số COP thực nghiệm:

- Công suất điện tiêu thụ CO2 tại nhiệt độ 33 0 C:

- Công suất điện tiêu thụ R32 tại nhiệt độ 33 0 C:

LR32 = 0,4118 kW = 411,8 W Sau khi tính toán các thông số nhiệt động của hệ thống lạnh ghép tầng R32 –

CO2, ta tính COP thực tế của toàn hệ thống tại nhiệt độ 33 0 C bằng công thức:

4.5 So sánh kết quả sau khi chạy thực nghiệm:

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Nghiên cứu này đã thực hiện việc tính toán và thiết kế bộ trao đổi nhiệt ghép tầng trong hệ thống lạnh ghép tầng R32 – CO2; các kết quả chính được trình bày ở đây nhằm làm rõ hiệu suất trao đổi nhiệt, tối ưu hóa kích thước và cấu hình của bộ trao đổi, cũng như tác động đến hiệu quả năng lượng và chi phí vận hành của hệ thống.

- Nhiệt độ trong buồng lạnh dàn bay hơi CO2 đạt giá trị âm sâu hơn so với mức yêu cầu thiết kế là –20 0 C (thực tế đạt –25 0 C)

Đã đưa ra các kết quả thực nghiệm về các tham số của hệ thống thay đổi theo thời gian, trong đó các tham số chính được xem xét bao gồm: các điểm nút của chu trình, độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit (LMTD), nhiệt lượng của bộ trao đổi nhiệt ghép tầng và công suất điện máy nén Những kết quả này cho thấy sự biến thiên theo thời gian của các tham số trên ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành và cung cấp căn cứ cho tối ưu hóa thiết kế, điều chỉnh vận hành và dự báo tiêu thụ năng lượng trong chu trình.

Chênh lệch nhiệt độ giữa tính toán lý thuyết và kết quả thực nghiệm ở ống trao đổi nhiệt dàn ngưng tụ - bay hơi của CO2 là không nhiều Cụ thể, nhiệt độ đầu vào chênh lệch 0,9°C (lý thuyết 45°C, thực nghiệm đo được 44,1°C) và nhiệt độ đầu ra chênh lệch 0,4°C (lý thuyết 10°C, thực nghiệm đo được 9,6°C).

Khi nhiệt độ môi trường dao động từ 32,3 đến 33,5 °C, nhiệt lượng của bộ trao đổi nhiệt ngưng tụ - bay hơi cũng thay đổi từ 1546,2 W đến 1899 W, và Qcascade tăng theo hướng tăng nhiệt độ Ở nhiệt độ 33,0 °C, giá trị Qcascade đo được thực nghiệm là 1826,5 W, so với giá trị lý thuyết 1803 W, cho thấy sự phù hợp giữa kết quả thực nghiệm và tính toán lý thuyết. -**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.

- Sự phân bố nhiệt độ các điểm nút của chu trình CO2 và R32 khá phù hợp giữa lý thuyết với thực nghiệm

- Do máy nén tầng thấp CO2 có công suất 3/5 HP phù hợp nên cho năng suất lạnh dàn bay hơi CO2 đáp ứng được yêu cầu thiết kế

Tuy nhiên, do hệ thống có sự tổn thất áp suất trong đường ống và trong máy nén, áp suất tại các điểm nút của chu trình CO2 chênh lệch giữa lý thuyết và thực nghiệm, với biên độ dao động từ 0,4 bar đến 1 bar.

Trong bài viết này còn tồn tại một số hạn chế về thời gian nghiên cứu, độ chính xác của thiết bị đo, công nghệ gia công và kiến thức chuyên sâu, do đó khó tránh khỏi sai số; tác giả mong nhận được ý kiến góp ý và đánh giá của quý thầy cô để đề tài được hoàn thiện hơn; đề nghị các nghiên cứu sau cần làm rõ hơn ảnh hưởng của tổn thất áp suất đến bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống và tổn thất áp suất toàn hệ thống; đồng thời đề tài này cần bổ sung nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng để có cái nhìn tổng thể và toàn diện nhất về hệ thống máy lạnh ghép tầng.