Chương 1 sẽ tổng quan các đề tài liên quan từ các nghiên cứu ngoài nước và trong nước để tìm ra các vấn đề còn tồn tại, chưa được nghiên cứu. Các kết quả tổng quan là động lực để thực hiện đề tài. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Các nghiên cứu liên quan đến hệ thống lạnh CO2 dùng các thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ gọn được tổng quan với các nhóm chủ đề sau: Chu trình lạnh CO2 cơ bản trên tới hạn, thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro và môi chất lạnh CO2.
Chu trình lạnh CO2 cơ bản trên tới hạn Trong chu trình lạnh trên tới hạn, quá trình nhả nhiệt nằm ở trên điểm tới hạn, không xảy ra hiện tượng ngưng tụ, áp suất không phụ thuộc vào nhiệt độ. Vì thế, thiết bị giải nhiệt cho gas nóng không gọi là thiết bị ngưng tụ được mà được gọi là thiết bị làm mát. Quá trình hấp thụ nhiệt diễn ra tại thiết bị bay hơi ở áp suất thấp giống như chu trình lạnh truyền thống.1 thể hiện chu trình lạnh CO2 trên tới hạn cơ bản và đồ thị p-h được thể hiện trong điều kiện bỏ qua tổn thất áp suất, không có quá nhiệt. Trong chu trình này, nhiệt độ và áp suất lại thiết bị làm mát là 32oC, 82 bar; nhiệt độ và áp suất tại thiết bị bay hơi là 5oC, 40 bar; quá trình nén là đẳng entropy và quá trình giãn nở là đẳng Enthalpy.
Chu trình này thường có áp suất cao trên 75bar, cao hơn 4 - 5 lần so với chu trình lạnh truyền thống. Vì thế, khi nghiên cứu chu trình này thì phải quan tâm đến giá thành, độ tin cậy hệ thống và độ an toàn. Chu trình lạnh CO2 cơ bản (a) và đồ thị p-h (b) [1] Hình 1. 2 Chu trình nhiệt động học của R134a và CO2 trên cùng đồ thị T-S [2] Về mặt lý thuyết, Kim cùng cộng sự [2] đã so sánh chu trình lạnh truyền thống R134a và chu trình lạnh trên tới hạn CO2 trong cùng điều kiện như Hình 1.2 thì chu trình lạnh trên tới hạn CO2 có hiệu quả thấp hơn.
Chu trình CO2 có 2 quá trình gây ra tổn thất là quá trình giải nhiệt và quá trình tiết lưu. Tổn thất giải nhiệt lớn do nhiệt độ trung bình CO2 cao hơn nhiều so với nhiệt độ làm mát. Tổn thất tại quá trình tiết lưu là do đặc tính của môi chất CO2 khi tiết lưu sẽ làm gia tăng entropy. Trong các nghiên cứu [3], [4], hệ số COP của hệ thống lạnh CO2 thấp hơn 10% khi giải nhiệt trong điều kiện nhiệt độ môi trường tại 30 oC, 21% tại 32,2oC 6 và 34% tại 49,9oC.
Tuy nhiên, khi xét về tỉ số nén thì CO2 có tỉ số nén khoảng 3, thấp hơn nhiều so với tỉ số nén của các môi chất truyền thống khoảng 8 [5], [6]. Với tỉ số nén thấp, máy nén sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Những khó khăn gặp phải khi nghiên cứu hệ thống lạnh CO2 là áp suất làm việc cao và hiệu suất lạnh thấp trong điều kiện nhiệt độ môi trường cao. Vì thế cần phải giải quyết các vấn đề này bằng các công nghệ khác nhau như: hồi nhiệt, làm mát phụ (Subcooler), ejector, ghép tầng, flash gas bypass… như thể hiện Hình 1.
Cải tiến hệ thống lạnh CO2 Làm mát Flash gas Hồi nhiệt Ejector Ghép tầng. phụ bypass Hình 1. Các công nghệ nâng cao hiệu suất của hệ thống lạnh CO2 [1] • Thiết bị làm mát phụ (Subcooler) Trong hệ thống lạnh CO2 trên tới hạn cơ bản, nhiệt độ gas ở đầu ra thiết bị làm mát phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ môi trường xung quanh. Dòng gas nóng ra khỏi thiết bị làm mát sẽ vào thẳng van tiết lưu.
Sau tiết lưu, độ khô của môi chất phụ thuộc vào nhiệt độ này, kéo theo năng suất lạnh riêng cũng bị giới hạn. Một trong những phương pháp làm giảm nhiệt độ gas nóng sau khi ra khỏi thiết bị làm mát là thêm một thiết bị làm mát phụ. Thiết bị này có nhiều loại như loại hoạt động bằng điện (quạt gió, sò nóng lạnh…), hoặc sử dụng hệ thống lạnh khác để làm mát, hoặc các phương pháp không sử dụng điện như tận dụng nhiệt độ thấp của không khí lạnh, địa nhiệt dưới đất hoặc ao hồ. Hệ thống lạnh CO2 có sử dụng thiết bị làm mát phụ [7] Dai cùng cộng sự [8] đã gắn thêm thiết bị làm mát phụ (thermoelectric subcooler) vào hệ thống.
Kết quả là COP tăng 22,5% và áp suất phía đầu đẩy giảm 15,3 bar. Sanchez cùng cộng sự [7] đã thực nghiệm gắn thiết bị làm mát phụ vào hệ thống trên tới hạn trong điều kiện nhiệt độ môi trường 25 và 30oC, nhiệt độ bão hoà -10oC như Hình 1. Kết quả là hệ số COP tăng 9,9% và năng suất lạnh tăng 16%. Để giảm nhiệt độ gas ra khỏi thiết bị làm mát nhiều hơn, kỹ thuật làm mát chuyên dụng DMS (Dedicated Mechanical Subcooling) được áp dụng như Hình 1.
Llopis cùng cộng sự [9] đã áp dụng DMS vào hệ thống lạnh trên tới hạn trong điều kiện nhiệt độ môi trường từ 20 – 35oC với nhiệt độ bay hơi tại 5, -5 và -30oC. Năng suất lạnh tăng 20,7% tại nhiệt độ bay hơi 5oC; tăng 19,7% tại -5oC và tăng 12,7% tại -30%. Andres cùng cộng sự [10] đã thực nghiệm hệ thống CO2 có DMS sử dụng gas lạnh R-152a trong điều kiện nhiệt độ môi trường từ 25, 30,4 và 35,1oC với 3 mức nhiệt độ bão hoà CO2 là -1,3, 3,8 và 10oC. Kết quả là hệ số COP tăng từ 1,51 lên 1,95 tại -1,3oC; từ 1,69 lên 2,21 tại 3,8oC và 1,86 lên 2,52 tại 10oC.
5 Hệ thống lạnh CO2 sử dụng thêm thiết bị làm mát DMS [10] • Thiết bị hồi nhiệt (IHX) Gas lạnh về máy nén có nhiệt độ thấp, có thể chưa bay hơi hoàn toàn sẽ gây hại cho máy nén. Trong khi đó, nhiệt độ gas ra khỏi thiết bị làm mát cần hạ thấp hơn nữa để tăng năng suất lạnh riêng. Thiết bị hồi nhiệt IHX (Internal Heat eXchanger) sẽ cho dòng gas lạnh và dòng gas nóng trao đổi nhiệt với nhau (Hình 1. Khi đó dòng gas nóng giảm nhiệt độ và dòng gas lạnh bị quá nhiệt, bay hơi hoàn toàn.
IHX dễ tính toán và hữu ích với hệ thống CO2 trên tới hạn, nhưng lại không có ích đối với hệ thống dưới tới hạn [1], [11], [12]. Hệ thống lạnh CO2 có hồi nhiệt và đồ thị p-h [1] 9 Boewe cùng cộng sự [13] cho rằng cả năng suất lạnh và hệ số COP có thể tăng lên đến 25% trên hệ thống CO2 nhỏ khi có IHX. IHX lưu động ngược chiều thì cho kết quả tốt hơn IHX lưu động cùng chiều. Trong điều kiện giới hạn áp suất đầu đẩy, thiết bị IHX càng lớn thì sự gia tăng năng suất lạnh và COP càng lớn.
• Thiết bị Ejector Elbel và Hrnjak [14] đã thực nghiệm trên hệ thống có sử dụng Ejector. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi có Ejector thì COP tăng khoảng 7% và sự thay đổi kích thước đường kính kim phun trong Ejector cũng ảnh hưởng đến năng suất lạnh hệ thống. Lee cùng cộng sự [15] cũng đã thực nghiệm và nhận thấy rằng hệ số COP tăng 15% so với hệ thống lạnh truyền thống. Hệ thống lạnh CO2 có COP tăng lên tới 36% khi thay thế van tiết lưu bằng Ejector [16].
Khi chiều dài ống kim phun bên trong Ejector lớn hơn 3 lần so với đường kính kim phun thì hệ thống có COP đạt cực đại.7 giới thiệu sơ đồ hệ thống CO2 có sử dụng Ejector. 7 Sơ đồ hệ thống CO2 có sử dụng Ejector [16] • Thiết bị Flash gas bypass Môi chất lạnh sau khi qua van tiết lưu sẽ trở thành hơi bão hòa ẩm, có pha lỏng và pha khí. Pha khí sẽ theo van Bypass về máy nén, còn pha lỏng sẽ qua thiết bị bay hơi (TBBH), hấp thụ nhiệt và trở về máy nén như Hình 1. Kim cùng cộng sự [2] cho rằng thiết bị Flash gas bypass không thích hợp với hệ thống có thiết bị bay hơi là kênh mini hoặc micro do khó khăn trong việc môi chất phân chia qua 10 TBBH và thiết bị bypass.
Beaver cùng cộng sự [17] cho rằng van bypass này ảnh hưởng trực tiếp đến độ quá nhiệt của môi chất tại đầu ra của thiết bị bay hơi. 8 Sơ đồ hệ thống CO2 có sử dụng Flash gas bypass [1] Ngoài ra còn nhiều phương pháp khác để nâng cao năng suất lạnh của hệ thống CO2 như sử dụng không khí lạnh hoặc nước để giải nhiệt cho thiết bị làm mát, dùng nhiều máy nén song song, chu trình nén 2 cấp, … Tại Việt nam, việc sử dụng R744 (CO2) làm môi chất lạnh còn khá mới, cũng như việc nghiên cứu hệ thống lạnh CO2 dân dụng sẽ gặp nhiều khó khăn như về áp suất cao, hệ số COP thấp, năng suất lạnh thấp. Để giải quyết vấn đề này, hệ thống lạnh CO2 sẽ được nghiên cứu ở chế độ trên tới hạn với áp suất đầu đẩy thấp (74 – 90bar) và áp dụng các phương pháp tăng hiệu suất lạnh mà ít tốn thêm năng lượng như thêm thiết bị làm mát phụ (subcooler) hoặc thiết bị hồi nhiệt. Thiết bị trao đổi nhiệt kênh mini hoặc micro Hiện nay, đa số tác giả tập trung nghiên cứu về hình dáng – kích thước của kênh micro hay mini (compact), hình dạng dòng chảy, tổn thất áp suất trong kênh, hoặc sự truyền nhiệt trong kênh.
• Hình dáng – kích thước kênh Định nghĩa kênh micro là vấn đề gây tranh cãi, một số tác giả đã phân loại dựa trên kích thước kênh, trong khi những người khác thì dựa trên sự ổn định dòng chảy. Ví dụ, tác giả Kandlikar và Grande [18] đã định nghĩa kênh micro là kênh có kích thước bề rộng hoặc đường kính ống D từ 10 ≤ D ≤ 200 µm; Mehendafe 11 cùng cộng sự [19] đã đề xuất kích thước từ 1 ≤ D ≤ 100 µm. Ngoài ra, các nghiên cứu khác [20], [21] còn xem các kênh có D ≤ 1000 µm là kênh micro. 9 Mô hình các kênh micro song song [24] Bảng 1.