Tổng quan luận án

Nghiên cứu được trích xuất từ luận án tiến sĩ ngành Kỹ thuật cơ khí (mã số: 62520103) của tác giả Nguyễn Trọng Hiếu, thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Đặng Thành Trung và GS.TS. Jyh Tong Teng.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong bối cảnh các hệ thống nhiệt - lạnh và điều hòa không khí truyền thống sử dụng môi chất nhân tạo thuộc nhóm HCFC và HFC gây suy giảm tầng ozone và làm gia tăng hiện tượng ấm lên toàn cầu, việc chuyển đổi sang các môi chất tự nhiên là một yêu cầu kỹ thuật tất yếu. Môi chất $CO_2$ (R744) có chỉ số suy giảm tầng ozone $\text{ODP} = 0$ và chỉ số làm nóng toàn cầu $\text{GWP} = 1$, không độc hại, không cháy và có chi phí thấp. Tuy nhiên, chu trình lạnh $CO_2$ trên tới hạn đòi hỏi áp suất làm việc rất cao (vượt qua điểm tới hạn $31^\circ\text{C}$ và $73,8\text{ bar}$), đồng thời hệ số hiệu quả năng lượng (COP) của chu trình cơ bản thường thấp hơn so với các môi chất truyền thống khi nhiệt độ môi trường làm mát cao.

Song song đó, các bộ trao đổi nhiệt ống - cánh truyền thống có kích thước cồng kềnh và hiệu quả truyền nhiệt hữu hạn. Việc ứng dụng thiết bị bay hơi kênh micro (đường kính thủy lực $D_h < 1\text{ mm}$) giúp nâng cao mật độ dòng nhiệt và giảm kích thước thiết bị. Luận án xác định khoảng trống nghiên cứu thực tế: các công bố trước đây chủ yếu tập trung vào các kênh đơn, ống đơn hoặc chùm ống song song ở mức áp suất trên tới hạn rất cao (trên $90\text{ bar}$), thiếu các dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng số đồng bộ về đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi ống dẹt nhiều kênh micro (10 kênh) trong dải áp suất đầu đẩy thấp ($74 - 90\text{ bar}$) dành cho máy điều hòa không khí cỡ nhỏ dân dụng.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án thiết lập 2 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Xác định được các đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi (TBBH) kênh micro trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất lạnh $CO_2$.
  2. Xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bay hơi trong thiết bị bay hơi kênh micro cho môi chất lạnh $CO_2$, từ đó đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả truyền nhiệt của hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị bay hơi kênh micro dạng ống dẹt bằng nhôm và các đặc tính truyền nhiệt liên quan (trường nhiệt độ, áp suất, hệ số tỏa nhiệt đối lưu, hệ số truyền nhiệt tổng, mật độ dòng nhiệt, năng suất lạnh).
  • Phạm vi không gian và công suất: Hệ thống lạnh $CO_2$ một cấp trên tới hạn cỡ nhỏ với công suất làm lạnh danh định $\le 9000\text{ BTU/h}$ (tương đương $\le 2600\text{ W}$), được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tại Phòng thí nghiệm Truyền nhiệt (Heat Transfer Lab), Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thông số nhiệt động:
    • Áp suất đầu đẩy tại thiết bị làm mát: $74 - 90\text{ bar}$.
    • Nhiệt độ môi trường làm mát không khí: $28 - 32^\circ\text{C}$.
    • Nhiệt độ bay hơi của môi chất: $5 - 15^\circ\text{C}$, tương ứng với áp suất bay hơi từ $40 - 50\text{ bar}$.
    • Cấu trúc kênh: Thiết bị bay hơi làm bằng vật liệu hợp kim nhôm, gồm các ống dẹt có 10 kênh micro song song với đường kính thủy lực tương đương $D_h = 0,9\text{ mm}$.
  • Giới hạn nghiên cứu: Luận án tập trung vào các đặc tính truyền nhiệt; không đi sâu khảo sát cơ chế vi mô của động lực học chất lưu (như lý thuyết lớp biên chi tiết hay độ nhám vi mô bề mặt kênh).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Tác giả đã hệ thống hóa các tài liệu khoa học quốc tế và trong nước xoay quanh bốn nhóm vấn đề chính:

                                  TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Chu trình CO2           Thiết bị kênh micro          Tổn thất áp suất         Hệ số tỏa nhiệt
trên tới hạn            & công nghệ gia công         & truyền nhiệt 2 pha     trong nước & quốc tế
- Kim và cs. (R134a)    - Kandlikar, Grande          - Pamitran, Zhao         - Choi, Yun, Cheng
- Sanchez, Llopis (DMS) - Wu, Mei, Chen, Lee         - Yoon, Pettersen, Ngo   - Đặng Thành Trung

  1. Chu trình lạnh $CO_2$ trên tới hạn và các giải pháp cải thiện COP:

    • Kim và cs. so sánh chu trình nhiệt động của R134a và $CO_2$ trên đồ thị $T-s$, chỉ ra nguyên nhân giảm hiệu suất của chu trình $CO_2$ là do tổn thất giải nhiệt ở áp suất trên tới hạn và tổn thất tiết lưu lớn, mặc dù tỉ số nén của $CO_2$ thấp hơn đáng kể (~3 so với ~8 của môi chất thông thường).
    • Dai và cs. tích hợp thiết bị làm mát phụ dạng nhiệt điện (thermoelectric subcooler), giúp tăng COP thêm 22,5% và giảm áp suất đầu đẩy $15,3\text{ bar}$.
    • Sanchez và cs. thử nghiệm subcooler trong điều kiện nhiệt độ môi trường $25 - 30^\circ\text{C}$, ghi nhận COP tăng 9,9% và năng suất lạnh tăng 16%.
    • Llopis và cs. cùng Andres và cs. khảo sát hệ thống làm mát cơ học chuyên dụng (Dedicated Mechanical Subcooling - DMS) sử dụng môi chất phụ R-152a, nâng COP từ 1,86 lên 2,52 tại nhiệt độ bão hòa $10^\circ\text{C}$.
    • Boewe và cs. phân tích thiết bị hồi nhiệt bên trong (Internal Heat Exchanger - IHX), chứng minh cấu hình dòng chảy ngược chiều giúp gia tăng công suất lạnh và COP lên đến 25%.
    • Elbel và Hrnjak, Lee và cs. chứng minh việc thay thế van tiết lưu bằng Ejector làm tăng COP từ 7% đến 36%.
    • Beaver và cs., Kim và cs. phân tích ảnh hưởng của van tách pha Flash gas bypass đối với độ quá nhiệt đầu ra.

  2. Hình học và công nghệ chế tạo kênh micro:

    • Kandlikar và Grande định nghĩa kênh micro có kích thước $10 \le D \le 200\ \mu\text{m}$; Mehendale và cs. phân loại kích thước $1 \le D \le 100\ \mu\text{m}$; các nghiên cứu khác quy ước $D \le 1000\ \mu\text{m}$.
    • Các công nghệ gia công được tổng hợp gồm: phay cắt bằng lưỡi nhỏ trên đồng (Lee và cs.), quang khắc kim loại (Wu và Cheng), đúc khuôn micro (Mei và cs.), ăn mòn hóa học sâu (Wu và cs.), cưa cắt cơ khí (Chen và Garimella), và khắc khô (Lee và cs.).
    • Hasan và cs., Chai và Tassou mô phỏng các tiết diện kênh (tròn, elip, bán nguyệt, vuông, chữ nhật, tam giác) và chỉ ra rằng tiết diện tròn và elip cho hệ số tỏa nhiệt đối lưu cao nhất.

  3. Đặc tính dòng hai pha và tổn thất áp suất của $CO_2$:

    • Pamitran và cs., Zhao và cs. chứng minh tổn thất áp suất của $CO_2$ trong kênh micro thấp hơn từ 16% đến 40% so với R22 và R134a do khối lượng riêng pha hơi cao và độ nhớt động học thấp.
    • Yoon và cs., Pettersen và cs. nhận thấy tổn thất áp suất tăng khi hạ thấp nhiệt độ bay hơi.
    • Ngo và cs., Kim và Jeong khảo sát ảnh hưởng của cấu trúc cánh (dạng chữ S, zigzag, cánh trong) đến tổn thất áp suất và hệ số Nusselt.

  4. Nghiên cứu trong nước:

    • Nguyễn Huy Bích mô phỏng chuyển động của vi giọt trong kênh micro bằng COMSOL Multiphysics với 14.260 phần tử tam giác và 215.406 bậc tự do.
    • Lê và cs. mô phỏng ảnh hưởng của tiết diện hình học kênh.
    • Đặng Thành Trung và cs. nghiên cứu truyền nhiệt kênh mini/micro dòng một pha với nước và ứng dụng thiết bị làm mát phụ sử dụng địa nhiệt cho hệ thống $CO_2$, nâng COP từ 4,5 lên 4,71.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn

Các công trình trước đây chủ yếu dừng lại ở việc thử nghiệm trên từng đoạn ống đơn hoặc khảo sát chu trình ở dải áp suất rất cao ($> 90\text{ bar}$). Luận án giải quyết khoảng trống về: (1) thiết kế, mô phỏng số và kiểm chứng thực nghiệm thiết bị bay hơi kênh micro dạng ống dẹt nhiều lỗ hoàn chỉnh (10 kênh, $D_h = 0,9\text{ mm}$); (2) thiết lập dữ liệu vận hành hệ thống lạnh $CO_2$ trên tới hạn cỡ nhỏ ở dải áp suất đẩy tối ưu thấp ($74 - 90\text{ bar}$); (3) định lượng sự cải thiện hiệu suất khi tích hợp subcooler và IHX trên cùng một mô hình thực nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Luận án xây dựng mô hình tính toán dựa trên các định luật bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng trong cơ học chất lưu và truyền nhiệt.

                         KHUNG TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT
 Phía Không Khí (Ẩm)                                        Phía Môi Chất CO2
- Hệ số tỏa nhiệt khô: Wang & Chi                         - Vùng 2 pha: Choi và cs. (cải tiến ma sát)
- Hiệu suất cánh: Schmidt                                 - Vùng 1 pha quá nhiệt: Gnielinski / Dittus-Boelter
- Tách ẩm: Hệ số đọng sương                               - Tổn thất áp suất: Kandlikar (6 thành phần)

  1. Truyền nhiệt tổng thể tại thiết bị bay hơi: Công suất lạnh tổng chia thành 2 vùng: vùng sôi hai pha ($Q_{e1}$) và vùng quá nhiệt một pha ($Q_{e2}$): $$Q_e = Q_{e1} + Q_{e2} = \dot{m}r (h{out} - h_{in})$$ Diện tích trao đổi nhiệt tổng: $$A_e = A_{e1} + A_{e2} = \frac{Q_{e1}}{k_{e1} \Delta t_{e1}} + \frac{Q_{e2}}{k_{e2} \Delta t_{e2}}$$ Hệ số truyền nhiệt tổng $k_{e1}$ và $k_{e2}$ được quy đổi theo diện tích mặt ngoài phía không khí có tính đến nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách $R_b$ và hệ số làm cánh $\beta_e$.

  2. Hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía không khí: Tính toán cho chùm ống song song có cánh phẳng chữ nhật: $$\alpha_{a,dry} = C \frac{\lambda_a}{S_p} \left(\frac{D_o}{S_p}\right)^{-0,54} \left(\frac{h_f}{S_p}\right)^{-0,14} Re_a^n$$ với các hằng số thực nghiệm $C = 0,094$ và $n = 0,72$. Hiệu suất cánh $\eta_f$ được hiệu chỉnh qua hệ số phân bố không đều ($0,85$). Khi bề mặt cánh thấp hơn nhiệt độ đọng sương, hệ số tách ẩm $\xi$ được áp dụng để tính $\alpha_{a,w} = \xi \alpha'_{a,dry}$.

  3. Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của môi chất $CO_2$ hai pha (Mô hình cải tiến): Luận án kế thừa mô hình của Choi và cs.: $$\alpha_{r,tp} = S \alpha_{NB} + F \alpha_{lo}$$ trong đó $\alpha_{NB}$ là hệ số tỏa nhiệt sôi bọt phụ thuộc vào mật độ dòng nhiệt $\ddot{q}e$ và áp suất bão hòa; $\alpha{lo}$ là hệ số tỏa nhiệt của pha lỏng; $X$ là tham số Martinelli.

    Đóng góp cải tiến của tác giả: Thay vì giả định hệ số ma sát $f$ chung theo công thức Blasius cho cả hai pha, tác giả đề xuất phân tách riêng theo chế độ chảy thực tế:

    • Với $Re < 4000$ (chảy tầng/quá độ): $$Po = f \cdot Re = 24 \left(1 - 1,3553 a_c + 1,9467 a_c^2 - 1,7012 a_c^3 + 0,9564 a_c^4 - 0,2537 a_c^5\right)$$ (với $a_c$ là tỉ số kích thước giữa cạnh ngắn và cạnh dài của kênh micro).
    • Với $Re > 4000$ (chảy rối): $$f = \frac{0,25}{\left[\ln\left(\frac{\varepsilon/D_h}{3,7} + \frac{5,74}{Re^{0,9}}\right)\right]^2}$$

  4. Tổn thất áp suất tổng thể: Tổng tổn thất áp suất $\Delta p$ qua thiết bị bay hơi được tính bằng tổng của 6 thành phần: $$\Delta p = \Delta p_c + \Delta p_{fr,1ph} + \Delta p_{fr,tp} + \Delta p_{ac} + \Delta p_{gr} + \Delta p_e$$ bao gồm: tổn thất co đột ngột ở đầu vào ($\Delta p_c$), ma sát một pha ($\Delta p_{fr,1ph}$), ma sát hai pha ($\Delta p_{fr,tp}$), gia tốc do thay đổi độ khô ($\Delta p_{ac}$), trọng trường ($\Delta p_{gr}$), và giãn nở đột ngột ở đầu ra ($\Delta p_e$).

Phương pháp nghiên cứu và công cụ kỹ thuật

  • Phương pháp giải tích và nhiệt động học: Sử dụng phần mềm EES (Engineering Equation Solver) và bảng tính tích hợp Excel để thiết lập bảng thuộc tính nhiệt động của $CO_2$, tính toán lặp các điểm nút và cân bằng nhiệt.
  • Phương pháp mô phỏng số (CFD): Sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics phiên bản 6.0 giải hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds (RANS) kết hợp mô hình rối $k-\varepsilon$, ghép nối bài toán đa vật lý truyền nhiệt và biến đổi pha lỏng - hơi dọc theo kênh micro.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo cụm mô hình máy lạnh $CO_2$ hoàn chỉnh, lắp đặt hệ thống cảm biến áp suất, nhiệt độ RTD/cặp nhiệt điện, lưu lượng kế khối lượng Coriolis. Dữ liệu được đo đạc, kiểm tra sai số và loại bỏ nhiễu trước khi phân tích.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày cơ sở khoa học, bối cảnh tiêu thụ năng lượng và tác động môi trường của các môi chất fluorocarbon. Xác định mục đích, đối tượng, nhiệm vụ và các giới hạn kỹ thuật của đề tài trong phạm vi công suất $\le 9000\text{ BTU/h}$.

Chương 1: Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Chương này tổng kết toàn diện các công trình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về chu trình $CO_2$ trên tới hạn, các công nghệ nâng cao hiệu suất chu trình (Subcooler, IHX, Ejector, Flash gas bypass, ghép tầng), lý thuyết dòng chảy và truyền nhiệt kênh mini/micro. Tác giả phân tích dữ liệu thực nghiệm về hệ số tỏa nhiệt sôi và tổn thất áp suất từ các nghiên cứu kinh điển (Cho và Kim, Yun và cs., Wu và cs., Oh và Son, Ducoulombier và cs., Pamitran và cs., Ozawa và cs.), làm rõ tính cấp thiết của việc nghiên cứu hệ thống $CO_2$ áp suất thấp cỡ nhỏ.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt và hệ thống lạnh $CO_2$ trên tới hạn

Trình bày chi tiết toán học các phương trình truyền nhiệt phía không khí có xét đến quá trình ngưng tụ ẩm trên cánh tản nhiệt; mô hình tính toán hệ số tỏa nhiệt sôi của môi chất $CO_2$ hai pha trong kênh dẹt; các công thức xác định tổn thất áp suất cục bộ và ma sát. Chương này đưa ra công thức cải tiến xác định hệ số ma sát $f$ cho kênh vi mô hình chữ nhật theo tỉ lệ cạnh $a_c$ khi $Re < 4000$ và theo độ nhám tương đối khi $Re > 4000$. Đồng thời, thiết lập các phương trình cân bằng năng lượng cho chu trình nhiệt động $CO_2$ một cấp trên tới hạn.

Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống lạnh $CO_2$ với thiết bị bay hơi kênh micro

Chương 3 trình bày quy trình tính toán nhiệt và thiết kế cơ khí cho từng bộ phận trong hệ thống:

  • Thiết lập lưu đồ tính toán và xác định thông số các điểm nút trên đồ thị $p-h$.
  • Tính toán kích thước thiết bị bay hơi kênh micro Danfoss bằng nhôm: diện tích trao đổi nhiệt, bước cánh, số kênh micro trên một ống dẹt (10 kênh), đường kính thủy lực tương đương $D_h = 0,9\text{ mm}$.
  • Tính toán lựa chọn thiết bị làm mát (gas cooler) kiểu ống đồng - cánh nhôm từ Panasonic.
  • Thực hiện bài toán kiểm tra nhiệt và thủy lực bằng chương trình EES và bảng tính Excel chuyên dụng, đảm bảo thiết bị đáp ứng công suất lạnh thiết kế $2600\text{ W}$.

Chương 4: Mô phỏng số và đánh giá kết quả

Chương này mô tả chi tiết quy trình thiết lập mô hình mô phỏng số 3D trên phần mềm COMSOL Multiphysics 6.0:

  • Thiết lập hệ phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng (RANS $k-\varepsilon$), và phương trình năng lượng kết hợp mô hình chuyển pha.
  • Tiến hành chia lưới mô hình hình học theo các cấp độ tự động và chia lưới thủ công có kiểm soát lớp biên; kiểm tra tính độc lập của lưới với mật độ dòng nhiệt và kiểm tra sự hội tụ của lời giải.
  • Mô phỏng trường nhiệt độ, phân bố mật độ dòng nhiệt, sự biến thiên độ khô $x$ dọc theo chiều dài kênh, tổn thất áp suất và hệ số tỏa nhiệt đối lưu ở các nhiệt độ bay hơi khác nhau ($5^\circ\text{C}$, $10^\circ\text{C}$, $15^\circ\text{C}$).
  • Kết quả mô phỏng cho thấy hệ số tỏa nhiệt đối lưu đạt giá trị cao ở đầu vào (vùng sôi bọt) và giảm mạnh khi độ khô $x \to 1$ do hình thành màng hơi quá nhiệt có độ dẫn nhiệt kém.

Chương 5: Thực nghiệm và thảo luận kết quả

Chương này trình bày toàn bộ quá trình lắp ráp mô hình thực nghiệm và phân tích các số liệu thu được:

  • Cấu hình thiết bị thí nghiệm: Máy nén bán kín chuyên dụng cho $CO_2$ trên tới hạn Dorin CD 180H, thiết bị làm mát Panasonic, thiết bị bay hơi kênh micro Danfoss, van tiết lưu tinh chỉnh, cụm làm mát phụ và bộ trao đổi nhiệt hồi nhiệt IHX dạng ống lồng ống.
  • Đánh giá độ tin cậy mô hình: So sánh dữ liệu thực nghiệm với kết quả tính toán lý thuyết và mô phỏng số.
  • Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng:
    • Ảnh hưởng của thiết bị làm mát phụ (Subcooler): Hạ nhiệt độ $CO_2$ trước tiết lưu $1,4^\circ\text{C}$, giúp tăng 50% năng suất lạnh và tăng 39% hệ số COP.
    • Ảnh hưởng của thiết bị hồi nhiệt (IHX): Tăng 100% năng suất lạnh và tăng 103% hệ số COP so với chu trình cơ bản.
    • Ảnh hưởng của lưu lượng khối lượng $CO_2$ ($97,5 - 121,4\text{ kg/h}$): Làm nhiệt độ bay hơi tăng từ $8,2^\circ\text{C}$ lên $14,5^\circ\text{C}$; hệ thống đạt năng suất lạnh tối ưu $3,12\text{ kW}$ và COP cực đại $3,15$ tại lưu lượng $111\text{ kg/h}$.
    • Ảnh hưởng của vận tốc không khí qua TBBH ($0,5 - 5,1\text{ m/s}$ tại lưu lượng $CO_2$ cố định $75,6\text{ kg/h}$): Tại vận tốc $5,1\text{ m/s}$, năng suất lạnh thu nhận phía không khí cân bằng với năng suất lạnh nhả ra phía môi chất ở mức $2,09\text{ kW}$.
    • Ảnh hưởng của tỉ số áp suất $p_c/p_e$: Phân tích sự phụ thuộc của độ quá nhiệt, nhiệt độ bề mặt TBBH và lưu lượng theo tỉ số nén.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tổng hợp toàn bộ các kết luận khoa học rút ra từ quá trình tính toán, mô phỏng và thực nghiệm. Nêu bật các đóng góp mới của luận án và đề xuất các hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.

Kết quả và những đóng góp mới

Bảng tổng hợp các chỉ số định lượng chính của luận án

Thông số / Chỉ tiêu khảo sát Tính toán lý thuyết Mô phỏng số (COMSOL) Dữ liệu thực nghiệm Ghi chú so sánh / Đánh giá
Sai số độ khô cực đại ($\Delta x_{max}$) 3,5% 5,5% Cơ sở chuẩn So với dữ liệu thực nghiệm
Tổn thất áp suất qua TBBH ($\Delta p$) $1,13\text{ bar}$ $1,40\text{ bar}$ $1,50\text{ bar}$ Phù hợp với dải áp suất bay hơi
Hệ số tỏa nhiệt đối lưu ($\alpha_{r,tp}$) Nằm trong dải TN Nằm trong dải TN $6,5 \to 1,3\text{ kW/m}^2\text{K}$ Sai số sai lệch $\pm 1,5\text{ kW/m}^2\text{K}$
Độ giảm nhiệt độ trước van tiết lưu — — $1,4^\circ\text{C}$ Khi lắp thêm Subcooler
Mức tăng năng suất lạnh khi có Subcooler — — +50% So với chu trình cơ bản
Mức tăng COP khi có Subcooler — — +39% So với chu trình cơ bản
Mức tăng năng suất lạnh khi có IHX — — +100% So với chu trình cơ bản
Mức tăng COP khi có IHX — — +103% So với chu trình cơ bản
Lưu lượng môi chất tối ưu — — $111\text{ kg/h}$ Năng suất lạnh $3,12\text{ kW}$; COP = 3,15
Cân bằng nhiệt không khí - môi chất — — Tại $v_a = 5,1\text{ m/s}$ Năng suất lạnh đạt $2,09\text{ kW}$

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xây dựng và hoàn thiện mô hình tính toán truyền nhiệt hai pha cho môi chất $CO_2$ trong thiết bị bay hơi ống dẹt nhiều kênh micro, trong đó đề xuất hiệu chỉnh công thức xác định hệ số ma sát $f$ phân biệt rõ theo hệ số Reynolds cho hai chế độ dòng chảy tầng ($Re < 4000$, phụ thuộc tỉ lệ hình học cạnh kênh $a_c$) và dòng chảy rối ($Re > 4000$, phụ thuộc độ nhám tương đối).
  2. Xây dựng thành công mô hình mô phỏng số 3D đa vật lý trên COMSOL Multiphysics 6.0 mô tả chính xác quá trình chuyển pha, phân bố trường nhiệt độ và độ khô của dòng $CO_2$ hai pha trong ống dẹt 10 kênh micro, đạt độ tương thích cao với sai số độ khô cực đại chỉ $5,5%$ so với thực nghiệm.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Chế tạo và vận hành thành công hệ thống điều hòa không khí cỡ nhỏ sử dụng môi chất tự nhiên $CO_2$ trên tới hạn hoạt động an toàn và ổn định ở dải áp suất đầu đẩy tương đối thấp ($74 - 90\text{ bar}$).
  2. Chứng minh bằng thực nghiệm hiệu quả vượt trội của giải pháp lắp đặt thiết bị làm mát phụ (Subcooler) và thiết bị hồi nhiệt (IHX) trong việc khắc phục nhược điểm tổn thất tiết lưu của $CO_2$, nâng COP lên thêm lần lượt 39% và 103%.
  3. Xác lập bộ thông số vận hành tối ưu cho máy lạnh $CO_2$ cỡ nhỏ: lưu lượng $CO_2$ tối ưu đạt $111\text{ kg/h}$ và vận tốc gió qua dàn bay hơi đạt $5,1\text{ m/s}$.
  4. Luận án đã công bố 9 công trình khoa học phục vụ trực tiếp nội dung nghiên cứu, bao gồm 01 bài báo trên tạp chí quốc tế thuộc danh mục SCIE (năm 2022, IF 3.5), 01 bài báo trên tạp chí WoS-ESCI (Q3) và 02 chương sách (Book Chapter) thuộc danh mục Scopus từ kỷ yếu hội nghị quốc tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Nghiên cứu chỉ tập trung vào các đặc tính truyền nhiệt và cân bằng nhiệt động tổng thể; chưa đi sâu khảo sát cấu trúc tế vi của dòng chảy hai pha (chế độ dòng chảy bọt, dòng nút, dòng màng) và hiện tượng sấy khô cục bộ (dryout) bằng thiết bị chụp ảnh tốc độ cao.
  • Thực nghiệm khảo sát ở dải công suất cỡ nhỏ ($\le 9000\text{ BTU/h}$) và giới hạn áp suất đầu đẩy trong khoảng $74 - 90\text{ bar}$; chưa mở rộng đánh giá hệ thống ở dải công suất lớn hơn hoặc trong điều kiện nhiệt độ môi trường khắc nghiệt ($> 40^\circ\text{C}$).

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo

  • Nghiên cứu cấu trúc dòng chảy hai pha của $CO_2$ bên trong các kênh micro có tiết diện hình học khác nhau (tam giác, bán nguyệt, elip) nhằm tối ưu hóa hình dáng kênh.
  • Mở rộng nghiên cứu điều khiển tự động tối ưu hóa áp suất đầu đẩy (optimal high pressure control) theo thời gian thực khi nhiệt độ môi trường thay đổi.
  • Ứng dụng công nghệ van tiết lưu tích hợp Ejector hai pha trên mô hình thực nghiệm để thu hồi công giãn nở, tiếp tục nâng cao COP cho hệ thống.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật nhiệt - Lạnh: Luận án cung cấp hệ thống phương pháp luận hoàn chỉnh từ tính toán lý thuyết, lập trình giải thuật trên EES/Excel, kỹ thuật thiết lập mô hình mô phỏng CFD đa pha trên COMSOL Multiphysics, đến phương pháp thiết kế và lắp đặt hệ thống đo kiểm thực nghiệm áp suất cao.
  • Đối với giảng viên và nhà nghiên cứu: Là tài liệu tham khảo có giá trị về cơ sở dữ liệu hệ số tỏa nhiệt đối lưu sôi và tổn thất áp suất của môi chất tự nhiên $CO_2$ trong kênh micro.
  • Đối với kỹ sư thiết kế và các nhà sản xuất thiết bị điều hòa không khí: Các dữ liệu định lượng về kích thước hình học kênh micro, hiệu quả của bộ hồi nhiệt IHX và điểm làm việc tối ưu của lưu lượng môi chất là cơ sở kỹ thuật trực tiếp để phát triển các dòng sản phẩm máy lạnh $CO_2$ thương mại cỡ nhỏ, điều hòa không khí ô tô và bơm nhiệt dân dụng thân thiện với môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống lạnh $CO_2$ trong luận án hoạt động ở chế độ "trên tới hạn"?

Môi chất $CO_2$ có điểm tới hạn ở nhiệt độ $31^\circ\text{C}$ và áp suất $73,8\text{ bar}$. Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới với nhiệt độ môi trường làm mát dao động từ $28 - 32^\circ\text{C}$, nhiệt độ của môi chất ở đầu ra máy nén và trong thiết bị làm mát bắt buộc phải cao hơn $31^\circ\text{C}$ để truyền nhiệt ra môi trường. Do đó, quá trình nhả nhiệt diễn ra ở trạng thái siêu tới hạn mà không xảy ra hiện tượng ngưng tụ chuyển pha lỏng - hơi thông thường, đưa chu trình làm việc vào trạng thái trên tới hạn (transcritical cycle).

2. Thiết bị hồi nhiệt (IHX) giúp cải thiện năng suất lạnh và COP của chu trình $CO_2$ như thế nào?

Trong chu trình $CO_2$ trên tới hạn, thiết bị hồi nhiệt IHX cho dòng gas nóng có áp suất cao sau thiết bị làm mát trao đổi nhiệt ngược chiều với dòng gas lạnh có áp suất thấp từ thiết bị bay hơi về máy nén. Quá trình này giúp: (1) hạ sâu nhiệt độ dòng gas nóng trước khi vào van tiết lưu, làm giảm đáng kể độ khô ở đầu vào thiết bị bay hơi và tăng năng suất lạnh riêng thêm 100%; (2) làm quá nhiệt hoàn toàn dòng hơi hút về máy nén, ngăn ngừa hiện tượng va đập thủy lực bảo vệ máy nén, từ đó nâng cao COP của hệ thống thêm 103%.

3. Tác giả đã cải tiến công thức tính hệ số ma sát $f$ trong mô hình dòng hai pha của Choi và cộng sự ra sao?

Trong mô hình gốc của Choi và cs., hệ số ma sát $f$ được giả định đồng nhất theo công thức Blasius cho cả pha lỏng và hơi. Tác giả luận án đã phân tách riêng hệ số ma sát theo số Reynolds thực tế: khi $Re < 4000$ (chảy tầng/quá độ), $f$ được tính theo đa thức bậc 5 phụ thuộc vào tỉ số kích thước cạnh $a_c$ của kênh chữ nhật; khi $Re > 4000$ (chảy rối), $f$ được xác định theo phương trình phụ thuộc vào độ nhám tương đối $\varepsilon/D_h$. Cải tiến này phản ánh chính xác cơ chế thủy lực trong kênh dẹt vi mô.

4. Kết quả so sánh giữa mô phỏng số, tính toán lý thuyết và thực nghiệm đạt độ chính xác ra sao?

Các kết quả cho thấy độ tương thích rất cao giữa các phương pháp:

  • Sai số độ khô cực đại giữa mô phỏng số và thực nghiệm là $5,5%$; giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm là $3,5%$.
  • Tổn thất áp suất trên thiết bị bay hơi qua tính toán, mô phỏng và thực nghiệm lần lượt là $1,13\text{ bar}$, $1,40\text{ bar}$ và $1,50\text{ bar}$.
  • Hệ số tỏa nhiệt đối lưu hai pha tính toán và mô phỏng hoàn toàn nằm trong dải dữ liệu thực nghiệm ($6,5 \to 1,3\text{ kW/m}^2\text{K}$) với biên độ sai số $\pm 1,5\text{ kW/m}^2\text{K}$.

Kết luận

Luận án của tác giả Nguyễn Trọng Hiếu đã giải quyết thành công bài toán nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi kênh micro dạng ống dẹt 10 kênh ($D_h = 0,9\text{ mm}$) trong hệ thống điều hòa không khí cỡ nhỏ sử dụng môi chất tự nhiên $CO_2$ trên tới hạn ở dải áp suất đầu đẩy $74 - 90\text{ bar}$. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa tính toán lý thuyết, mô phỏng số đa vật lý trên COMSOL Multiphysics 6.0 và kiểm chứng thực nghiệm trên mô hình thực với máy nén Dorin CD 180H, công trình đã làm sáng tỏ quy luật biến thiên của hệ số tỏa nhiệt đối lưu, trường nhiệt độ và tổn thất áp suất hai pha. Các kết quả khẳng định việc tích hợp thiết bị làm mát phụ và hồi nhiệt IHX giúp tăng năng suất lạnh và COP lên tương ứng đến 100% và 103%, cung cấp luận cứ khoa học và dữ liệu thiết kế giá trị cho việc ứng dụng công nghệ lạnh sạch trong thực tiễn.