Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi kênh micro trong máy điều hòa không khí sử dụng CO2

• Tác giả: Nguyễn Trọng Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Thành Trung
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi kênh micro trong máy điều hoà không khí cỡ nhỏ dùng môi chất lạnh CO2
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do lựa chọn đề tài
• 1.2. Mục đích nghiên cứu
• 1.3. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.4. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu
• 1.5. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.7. Cấu trúc Luận án
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
• 2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 3.1. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
• 3.2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 3.2.1. Phạm vi nghiên cứu
• 4. CHƯƠNG 4: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 4.1. LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN NHIỆT KÊNH MINI/MICRO
• 4.1.1. Hệ số truyền nhiệt tổng của TBBH
• 4.1.2. Hệ số toả nhiệt đối lưu phía không khí
• 4.1.3. Hệ số toả nhiệt đối lưu của môi chất lạnh CO2
• 4.1.4. Tổn thất áp suất trong TBBH kênh micro
• 4.2. LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG LẠNH CO2 TRÊN TỚI HẠN
• 4.2.1. Môi chất CO2 (R744)
• 4.2.2. Hệ thống lạnh CO2 trên tới hạn cơ bản
• 4.3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH CO2 VỚI THIẾT BỊ BAY HƠI KÊNH MICRO
• 4.3.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH CO2 TRÊN TỚI HẠN
• 4.3.1.1. Trình tự tính toán
• 4.3.1.2. Điều kiện ban đầu cho bài toán thiết kế
• 4.3.1.3. Lập bảng các giá trị của các điểm nút chu trình
• 4.3.1.4. Tính toán nhiệt
• 4.3.1.5. Tính toán thiết bị bay hơi
• 4.3.1.6. Thiết bị làm mát
• 4.3.2. TÍNH KIỂM TRA KẾT QUẢ THIẾT KẾ
• 4.3.2.1. Tính toán, kiểm tra thiết bị bay hơi (TBBH)
• 4.3.2.2. Kiểm tra thiết bị làm mát (TBLM)
• 4.3.3. TỔNG HỢP TÍNH TOÁN VÀ KIỂM TRA
• 4.4. MÔ PHỎNG SỐ VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 4.4.1. THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH TOÁN HỌC CHO MÔ PHỎNG SỐ
• 4.4.1.1. Dòng chảy rối RANS 𝒌 − 𝜺 (Reynolds-Averaged Navier–Stokes)
• 4.4.1.2. Các phương trình truyền nhiệt
• 4.4.1.3. Các phương trình về sự chuyển pha
• 4.4.1.4. Môi chất tại lớp biên
• 4.4.1.5. Khi môi chất quá nhiệt
• 4.4.2. THIẾT LẬP MÔ PHỎNG SỐ TRÊN PHẦN MỀM COMSOL
• 4.4.2.1. Thiết lập môi trường (Model Wizard)
• 4.4.2.2. Thiết lập mô hình hình học
• 4.4.2.3. Thiết lập thuộc tính vật liệu (Specify materials propeties)
• 4.4.2.4. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu
• 4.4.2.5. Thực hiện mô phỏng (Run Simulation)
• 4.4.2.6. Kiểm tra sự hội tụ
• 4.5. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN TẠI NHIỆT ĐỘ BAY HƠI 10OC
• 4.5.1. Nhiệt độ và mật độ dòng nhiệt
• 4.5.2. Hệ số toả nhiệt đối lưu 2 pha
• 4.6. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN TẠI NHIỆT ĐỘ BAY HƠI 5 VÀ 15OC
• 4.6.1. Các điều kiện ban đầu
• 4.6.2. Kết quả về độ khô
• 4.6.3. Kết quả về hệ số toả nhiệt đối lưu
• 4.6.4. Kết quả về công suất lạnh
• 4.7. THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ
• 4.7.1. LẮP ĐẶT HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP LẤY MẪU
• 4.7.1.1. Lắp đặt hệ thống thí nghiệm
• 4.7.1.2. Phương pháp lấy mẫu
• 4.7.1.3. Các phương trình được sử dụng như
• 4.7.1.4. Đánh giá sai số của phép đo
• 4.7.2. CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
• 4.7.2.1. Thực nghiệm đánh giá kết quả tính toán và mô phỏng số
• 4.7.2.2. Ảnh hưởng của quá trình làm mát phụ (Subcooler)
• 4.7.2.3. Ảnh hưởng của quá trình hồi nhiệt đến đặc tính truyền nhiệt
• 4.7.2.4. Ảnh hưởng của lưu lượng CO2 đến các đặc tính truyền nhiệt
• 4.7.2.5. Ảnh hưởng của lưu lượng không khí qua TBBH
• 4.7.2.6. Ảnh hưởng của tỉ số áp suất pc/pe đến đặc tính TBBH
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
• 5.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN NHIỆT EES
• PHỤ LỤC 2: THÔNG SỐ KỸ THUẬT THIẾT BỊ LÀM MÁT
• PHỤ LỤC 3: THÔNG SỐ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ
• PHỤ LỤC 4: BẢNG TÍNH EXCEL CHU TRÌNH CO2
• PHỤ LỤC 5: MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH QUÁ NHIỆT
• PHỤ LỤC 6: BẢNG DỮ LIỆU THỰC NGHIỆM

I. Đặc tính truyền nhiệt

Đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi kênh micro trong máy điều hòa không khí CO2 là một yếu tố quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng. Thiết bị bay hơi kênh micro có khả năng tăng cường hiệu suất truyền nhiệt nhờ vào diện tích bề mặt tiếp xúc lớn và dòng chảy hai pha. Nghiên cứu cho thấy rằng hệ số truyền nhiệt tổng của thiết bị bay hơi này có thể đạt giá trị cao hơn so với các thiết bị truyền nhiệt truyền thống. Điều này không chỉ giúp giảm kích thước thiết bị mà còn nâng cao hiệu suất làm lạnh. Theo các kết quả thực nghiệm, hệ số truyền nhiệt đối lưu của môi chất lạnh CO2 trong kênh micro có thể dao động từ 6,5 đến 1,3 kW/m²K, với sai số ±1,5 kW/m²K. Việc áp dụng các thiết bị làm mát phụ và thiết bị hồi nhiệt đã chứng minh khả năng cải thiện đáng kể hiệu suất làm lạnh và hệ số COP.

1.1. Hệ số truyền nhiệt

Hệ số truyền nhiệt tổng của thiết bị bay hơi kênh micro được xác định thông qua các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa thiết kế kênh micro có thể dẫn đến sự gia tăng đáng kể trong hiệu suất truyền nhiệt. Hệ số truyền nhiệt đối lưu của môi chất lạnh CO2 được xác định là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của thiết bị. Các kết quả cho thấy rằng khi thay đổi lưu lượng môi chất CO2 từ 97,5 đến 121,4 kg/h, nhiệt độ bay hơi có thể tăng từ 8,2 đến 14,5°C, dẫn đến năng suất lạnh đạt giá trị tối ưu là 3,12 kW và hệ số COP là 3,15 khi lưu lượng đạt 111 kg/h.

II. Thiết bị bay hơi kênh micro

Thiết bị bay hơi kênh micro được thiết kế để tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt trong hệ thống điều hòa không khí. Với cấu trúc kênh nhỏ, thiết bị này cho phép dòng chảy hai pha diễn ra hiệu quả hơn, từ đó nâng cao khả năng truyền nhiệt. Việc sử dụng CO2 làm môi chất lạnh không chỉ giúp giảm thiểu tác động đến môi trường mà còn cải thiện hiệu suất làm lạnh. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc lắp đặt thiết bị làm mát phụ có thể làm giảm nhiệt độ trước van tiết lưu, từ đó tăng cường năng suất lạnh lên đến 50% và hệ số COP lên đến 39%. Điều này cho thấy rằng thiết kế và tối ưu hóa thiết bị bay hơi kênh micro là rất cần thiết để đạt được hiệu suất tối ưu trong các hệ thống lạnh hiện đại.

2.1. Thiết kế và hiệu suất

Thiết kế của thiết bị bay hơi kênh micro cần phải xem xét các yếu tố như kích thước kênh, hình dạng và vật liệu chế tạo. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thông số này có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất truyền nhiệt. Hệ thống lạnh CO2 trên tới hạn cơ bản đã được thử nghiệm và cho thấy rằng việc sử dụng thiết bị hồi nhiệt có thể tăng năng suất lạnh lên đến 100% và hệ số COP lên đến 103%. Điều này chứng tỏ rằng việc nghiên cứu và phát triển thiết bị bay hơi kênh micro là một hướng đi đúng đắn trong việc nâng cao hiệu quả năng lượng cho các hệ thống điều hòa không khí.

III. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi kênh micro trong máy điều hòa không khí CO2 không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn. Việc áp dụng CO2 như một môi chất lạnh tự nhiên giúp giảm thiểu tác động đến môi trường, đồng thời nâng cao hiệu suất làm lạnh. Các hệ thống điều hòa không khí sử dụng thiết bị bay hơi kênh micro có thể tiết kiệm năng lượng đáng kể, từ đó giảm chi phí vận hành. Hơn nữa, việc nghiên cứu này cũng mở ra hướng đi mới cho các công nghệ HVAC thân thiện với môi trường, góp phần vào việc giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu.

3.1. Tác động đến môi trường

Việc sử dụng CO2 làm môi chất lạnh trong các hệ thống điều hòa không khí có tác động tích cực đến môi trường. CO2 có hệ số GWP=1 và ODP=0, giúp giảm thiểu lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Nghiên cứu cho thấy rằng việc chuyển đổi từ các môi chất lạnh fluorocarbon sang CO2 không chỉ giúp bảo vệ tầng ozone mà còn giảm thiểu biến đổi khí hậu. Các thiết bị bay hơi kênh micro cũng giúp giảm kích thước và trọng lượng của hệ thống, từ đó giảm lượng vật liệu cần thiết và tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất và vận hành.