Đặt vấn đề Trong bối cảnh hiện tại, hiện tượng nóng lên toàn cầu đã và đang gây ra những tác động không nhỏ đến đời sống con người. Vì vậy, việc bảo vệ môi trường đặc biệt là hạn chế các phát thải gây ra nóng lên toàn cầu (GWP) và phá hủy tầng ozone (ODP) đang là một trong những hoạt động hết sức cần thiết. Kỹ thuật lạnh là một trong những lĩnh vực kỹ thuật chủ chốt tác động đến môi trường ở hiện tại, đặc biệt các môi chất lạnh trong ngành điều hòa không khí ảnh hưởng rất lớn đến hai hiện tượng nóng lên toàn cầu và phá hủy tầng ozone. Xu hướng phát triển của ngành kỹ thuật lạnh hiện tại là nghiên cứu ra nhiều loại môi chất giảm thiệt hại tối thiểu đến môi trường đồng thời cấm dần các môi chất độc hại.
Với ưu thế sẵn có, đặc tính nhiệt động tốt Môi chất lạnh CO2 đang được nghiên cứu và ứng dụng mang tính cách mạng ở hiện tại. Hiện nay việc nghiên cứu ứng dụng môi chất CO2 đang trở nên rất cấp thiết để đáp ứng yêu cầu thân thiện với môi trường và mang lại hiệu quả về năng lượng cao. Các nghiên cứu trong vài thập niên trở lại đây chủ yếu tập trung làm rõ tính khả thi khi sử dụng môi chất CO2, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống khi vận hành. Khả năng quá lạnh môi chất đóng vai trò rất quan trọng trong việc cải thiện năng suất lạnh từ đó tăng hiệu suất của hệ thống.
Tận dụng được lợi thế về khí hậu nóng ẩm và nền địa nhiệt của Việt Nam tương đối thấp vì vậy sử dụng nền địa nhiệt này là một nghiên cứu tương đối mới nhằm khai thác hoàn toàn hiệu quả về năng lượng khi sử dụng môi chất CO2. Chính vì vậy, tác giả chọn thực hiện đề tài “Nghiên cứu khả năng quá lạnh cho hệ thống điều hòa không khí CO2 bằng địa nhiệt” với khả năng quá lạnh dự kiến từ 2-30C ứng với năng suất dự kiến 100W. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Trong lĩnh vực nghiên cứu về đặc tính trao đổi nhiệt của CO2 ở các quá trình làm mát ngưng tụ, Son và Oh [1] đã nghiên cứu đặc tính trao đổi nhiệt nhiệt ngưng tụ CO2 ở nhiệt độ bão hòa cao trong ống nhẵn nằm ngang và ống có cánh micro bằng thực nghiệm dựa trên nhiệt độ ngưng tụ và lưu lượng.
Điều kiện thực nghiệm ở nhiệt độ bão hòa 20 - 300C, mật độ lưu lượng 400 - 800 kg/(m2s), ống thực nghiệm dài 2400 mm với ống đồng nhẵn nằm ngang có đường kính trong 4,6 mm và với ống micro có cánh có đường kính trong 4,95 mm được thể hiện trong Hình 1. Kết quả thí nghiệm cho thấy dòng chảy hình khuyên (annular) gần như chi phối chính dòng chảy ngưng tụ trong ống trơn và ống có cánh micro. Đây là các đặc tính quan trọng trong truyền nhiệt và độ giảm áp suất. Trong nghiên cứu này, các hệ số truyền nhiệt trong ống trơn và ống có cánh micro có xu hướng tăng tương ứng với mật độ khối lượng và độ giảm của nhiệt độ bão hòa.
Sơ đồ bộ máy thí nghiệm [1] 2 Tassou cùng cộng sự [2] đã tối ưu hóa thiết kế bộ làm mát/ngưng tụ CO2 trong hệ thống lạnh. Hai dàn làm mát dạng ống có cánh ngưng tụ CO2 được thiết kế với cấu trúc và điều khiển khác nhau. Chúng được lắp đặt và kết nối với một thiết bị thử nghiệm hiện có của hệ thống lạnh tăng cường CO2 được thể hiện trong Hình 1. Nhằm mục đích tìm ra một thiết kế tối ưu thiết bị ngưng tụ CO2.
Việc nghiên cứu đã tìm những ảnh hưởng của các đại lượng như kích thước hình học thiết bị, phương thức điều khiển dòng chảy (CO2/không khí), nhiệt độ môi trường. Giàn thử nghiệm của giàn lạnh và giàn ngưng CO2 [2] Nghiên cứu của Tsamos cùng cộng sự [3] chỉ ra rằng CO2 là một môi chất tự nhiên thân thiện với môi trường, có ODP = 0 và GWP = 1, các thông số nhiệt - vật lý lý tưởng đối với một môi chất lạnh. Nghiên cứu này trình bày một nghiên cứu thực nghiệm hiệu suất của bộ ngưng tụ môi chất CO2 bằng ống có cánh với các thiết kế khác nhau trong một hệ thống làm mát CO2 được thiết kế đặc biệt cho phép kiểm soát được các điều kiện và thông số thử nghiệm khác nhau, bao gồm nhiệt độ và tốc độ không khí, nhiệt độ và áp suất làm việc CO2 được thể hiện trong Hình 1. Qua đó có thể tính được hiệu quả của hệ thống.
Giàn thử nghiệm của hệ thống tăng áp CO2 [3] Zhang cùng cộng sự [4] đã nghiên cứu bộ làm mát CO2 dùng không khí dạng ống đóng vai trò quan trọng đối với hiệu suất của hệ thống. Để đạt được điều này, một số thông số hiệu suất được dự đoán và phân tích bằng phương pháp mô hình hóa và CFD (bao gồm: trường vận tốc không khí và CO2, lớp biên nhiệt và đặc tính truyền nhiệt ở các điều kiện vận hành khác nhau). Lưu ý là các hệ số truyền nhiệt cục bộ của cả hai phía không khí và môi chất lạnh rất khó dự đoán bằng các tương quan thực nghiệm thông thường, chỉ có thể thu được chính xác từ mô hình CFD. Nghiên cứu tập trung làm rõ ảnh hưởng của các thông số vận hành khác nhau đến các hệ số truyền nhiệt cục bộ và thông số nhiệt độ của chất lỏng làm việc trong thiết bị làm mát khí CO2 dạng ống có cánh bằng phương pháp mô hình CFD.
Kết quả mô phỏng, cho thấy rằng nhiệt độ tiếp cận giảm khi tốc độ không khí vào tăng. Mô hình đã được so sánh và xác nhận với các phép đo thực nghiệm và tương quan tài liệu được thể hiện trong Hình 1. Phương pháp và kết quả có thể được sử dụng để nghiên cứu và tối ưu hóa hơn nữa trong lĩnh vực này. Mô hình bộ làm mát khí của các ống được đánh số [4] Idewa cùng cộng sự [5] đã thực nghiệm và mô hình hóa bằng CFD sử dụng để nghiên cứu hệ số truyền nhiệt tổng thể (U-LMTD) trong các thiết bị làm mát CO2 – không khí.
Hệ số truyền nhiệt tổng thể của bộ làm mát khí CO2 đã được nghiên cứu thông qua thực nghiệm và mô phỏng số học bằng mô hình (CFD). Mô hình CFD cung cấp dự đoán chính xác hệ số truyền nhiệt tổng thể với sai số tối đa là 9% so với thực nghiệm. Kết quả thực nghiệm và mô hình hóa được thể hiện trong Hình 1.5, đã chứng minh được hiệu suất của bộ giải nhiệt có thể được cải thiện tới 20% qua việc tối ưu hóa việc thiết kế cách bố trí ống của bộ giải nhiệt. Việc săp xếp cánh khi bố trí một 5 khe ngang giữa hàng 1 và 2 của ống làm mát có thể tăng 8% hệ số truyền nhiệt so với cánh không có khe.
Sơ đồ hệ thống thực nghiệm hệ thống làm mát không khí [5] Wang cùng cộng sự [6] nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt siêu tới hạn của các bộ làm mát không khí kênh micro được áp dụng trong các hệ thống bơm nhiệt CO2 trên ô tô. Một mô hình mô phỏng làm mát CO2 ô tô đã được phát triển bằng cách sử dụng phương pháp segment-by-segment và được chứng minh bằng các kết quả thực nghiệm. Sử dụng mô hình này, trong các điều kiện vận hành bơm nhiệt điển hình, sự phân bố nhiệt độ dọc theo dòng môi chất (CO2) đã được dự đoán và đã phân tích được sự thay đổi của hệ số truyền nhiệt. Hơn nữa, các tác động của các điều kiện hoạt động (như áp suất và nhiệt độ đầu vào môi chất) cũng như các thông số cấu hình như độ sâu, số pass ống, hiệu suất nhiệt cũng đã được thảo luận.
Kết quả cho thấy mô hình được thiết lập dự đoán chính xác năng suất nhiệt của bộ làm mát. Li cùng cộng sự [7] nghiên cứu bộ làm mát CO2 bằng kênh micro tích hợp cánh tản nhiệt cho điều hòa không khí ô tô. Bộ trao đổi nhiệt có những ưu điểm về hiệu suất ổn định, chi phí thấp, trọng lượng, nhỏ gọn, tuổi thọ cao được thể hiện trong Hình 1. Thực nghiệm được thực hiện để nghiên cứu các đặc tính dòng chảy và truyền nhiệt của bộ làm mát trong trong một phạm vi điều kiện hoạt động nhất định.
6 Kết quả là năng suất lạnh dao động trong khoảng từ 1 đến 6 kW. Tăng theo áp suất đầu vào, tốc độ dòng chảy của môi chất và tốc độ không khí, năng suất lạnh giảm khi nhiệt độ không khí tăng. Tổn thất áp suất môi chất tăng theo với áp suất đầu vào và tốc độ dòng chảy, và nhiệt độ khí vào tăng lên, tốc độ không khí phía trước tăng lên. Sai số ước tính về năng suất nhiệt và tổn thất áp suất môi chất lạnh lần lượt 5% và ± 8%.
Kết quả mô phỏng cho thấy bộ giải nhiệt CO2 bằng kênh micro tích hợp cánh tản nhiệt này có hiệu suất cao khi tốc độ không khí phía trước tăng. Phân phối không khí kiểu nghiêng có công suất cao nhất với bộ làm mát kênh micro kiểu gợn sóng. Cách bố trí hệ thống CO2 và cơ sở thử nghiệm [7] Bae cùng cộng sự [8] nghiên cứu một chu trình carbon dioxide siêu tới hạn (S- CO2) có cả ưu điểm của chu trình khí Brayton và chu trình hơi nước Rankine, tận dụng nhiệt độ đầu vào tuabin tầm cao và và do đó giảm được công nén. Do đó, chu trình S-CO2 nâng cao ưu điểm của cả chu trình Rankine và chu trình Brayton và bù đắp cho những điểm yếu của cả hai chu trình.
Vì lý do này, chu trình S-CO2 có nhiều ưu điểm như hiệu suất nhiệt cao ở nhiệt độ tương đối thấp, độ nén của các thành phần chính với cấu trúc chu trình đơn giản được thể hiện trong Hình 1. Dữ liệu thử 7 nghiệm thu được được so sánh với các mối tương quan hiện hữu nhằm phát triển một mối tương quan mới. Một tập hợp các mối tương quan mới được đề xuất trong bài viết này nắm bắt các đặc điểm vật lý một cách hợp lý. Ehsan cùng cộng sự [9] đã nghiên cứu thông số nhiệt động và thủy động lực liên quan đến CO2 siêu tới hạn (S-CO2).
Những mối quan hệ về truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức thông thường đã không thể dự đoán đặc tính truyền nhiệt và đặc tính dòng chảy, đặc biệt là trong vùng lân cận của trạng thái tới hạn.