Luận văn thông số nhiệt động chu trình điều hòa không khí dùng môi chất CO2

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của chu trình điều hòa không khí dùng môi chất CO2, phân tích hiệu suất và COP hệ thống.

• Tác giả: Nguyễn Tấn Khương
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Đặng Thành Trung
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
• Đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của chu trình điều hòa không khí dùng môi chất CO2
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về chu trình điều hòa không khí dùng CO₂

Chu trình điều hòa không khí sử dụng CO₂ thay vì môi chất truyền thống như R-22 hoặc R-410A đang thu hút sự chú ý vì tính thân thiện môi trường và hiệu suất cao. CO₂, với nhiệt độ sôi thấp (-56,6°C) và đặc tính nhiệt động lý tưởng, phù hợp cho các hệ thống điều hòa công nghiệp và dân dụng. Nghiên cứu này tập trung vào việc đo lường và phân tích các thông số nhiệt động như hiệu suất truyền nhiệt, tổn thất áp suất và chất lượng hơi trong quá trình bay hơi và ngưng tụ. Kết quả sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc tối ưu hóa thiết kế hệ thống. CO₂ cũng giảm thiểu tác động đến tầng ozone và hiệu ứng nhà kính, đáp ứng yêu cầu về bền vững. Các ứng dụng thực tế bao gồm các hệ thống lạnh sâu và điều hòa không khí ở nhiệt độ trung bình.

1.1. Đặc tính nhiệt động của CO₂ so với môi chất truyền thống

CO₂ có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiều so với R-22, cho phép hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ môi trường cao. Tuy nhiên, áp suất làm việc cao hơn đòi hỏi hệ thống chịu áp lực mạnh mẽ. So với R-410A, CO₂ có hệ số hiệu suất năng lượng (EER) cao hơn trong điều kiện nhiệt độ trung bình. Thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến tiêu thụ điện năng và chi phí vận hành. Các nghiên cứu cho thấy CO₂ có khả năng truyền nhiệt tốt hơn trong điều kiện sôi hai pha, đặc biệt khi sử dụng ống có cánh micro.

1.2. Ứng dụng và lợi thế của CO₂ trong điều hòa không khí

Sử dụng CO₂ trong điều hòa không khí mang lại nhiều lợi thế. Thứ nhất, nó không gây hại cho tầng ozone và có hệ số tiềm năng làm nóng toàn cầu (GWP) gần bằng không. Thứ hai, CO₂ có khả năng hấp thụ nhiệt cao, giúp giảm tiêu thụ điện năng. Tuy nhiên, áp suất cao đòi hỏi thiết bị chịu lực tốt hơn. Các hệ thống sử dụng CO₂ thường được áp dụng trong điều hòa không khí công nghiệp hoặc các khu vực có yêu cầu nhiệt độ cao. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa chu trình để giảm tổn thất nhiệt và tăng hiệu suất.

II. Phân tích các vấn đề trong nghiên cứu chu trình CO₂

Các vấn đề chính trong nghiên cứu này bao gồm tổn thất áp suất cao, hiệu suất truyền nhiệt không đồng đều và yêu cầu về thiết bị chịu áp lực. CO₂ có áp suất ngưng tụ cao hơn so với môi chất truyền thống, gây áp lực lớn cho máy nén và đường ống. Ngoài ra, hệ số truyền nhiệt phụ thuộc mạnh vào chất lượng hơi và nhiệt độ bão hòa. Các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng CO₂ có hiệu suất truyền nhiệt cao nhưng yêu cầu điều kiện hoạt động khắt khe. Thử nghiệm cần xác định các thông số tối ưu như vận tốc khối, nhiệt độ và áp suất để tối đa hóa hiệu suất. Ngoài ra, việc lựa chọn máy nén phù hợp cũng là thách thức, vì hầu hết các thiết bị hiện có được thiết kế cho môi chất khác.

2.1. Tổn thất áp suất và hiệu suất truyền nhiệt

Tổn thất áp suất trong hệ thống CO₂ cao hơn do đặc tính lưu động của khí. Điều này làm giảm hiệu suất toàn cầu của chu trình. Các nghiên cứu cho thấy tổn thất tăng khi sử dụng ống trơn, nhưng có thể giảm bằng cách sử dụng ống có cánh micro. Hiệu suất truyền nhiệt phụ thuộc vào chất lượng hơi và nhiệt độ bão hòa. Thông lượng nhiệt cao hơn khi sử dụng ống có cánh, nhưng yêu cầu tăng áp suất làm việc. Nghiên cứu này sẽ đo lường tổn thất áp suất và hiệu suất truyền nhiệt trong điều kiện thực nghiệm.

2.2. Yêu cầu về thiết bị và máy nén

Máy nén CO₂ cần chịu áp suất cao, thường trên 100 bar. Hầu hết các máy nén hiện có được thiết kế cho môi chất như R-22 hoặc R-410A, không phù hợp với CO₂. Nghiên cứu này sử dụng máy nén gas Freon để thử nghiệm ban đầu, nhưng kết quả chỉ ra rằng hiệu suất thấp hơn so với máy nén chuyên dụng. Các nhà sản xuất như Bitzer và Copeland đang phát triển máy nén CO₂, nhưng chúng hiện chỉ được sử dụng trong hệ thống lạnh sâu. Thử nghiệm sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa máy nén và đường ống để giảm tổn thất và tăng hiệu suất.

III. Giải pháp và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu bao gồm thiết lập hệ thống điều hòa không khí sử dụng CO₂ và đo lường các thông số nhiệt động. Hệ thống gồm máy nén, dàn nóng, dàn lạnh và các thiết bị đo áp suất, nhiệt độ và lưu lượng. Thử nghiệm sẽ tiến hành ở các điều kiện khác nhau như nhiệt độ môi trường, vận tốc khối và áp suất. Dữ liệu thu thập sẽ được phân tích để xác định hiệu suất truyền nhiệt, tổn thất áp suất và chất lượng hơi. Các kết quả sẽ so sánh với mô hình lý thuyết và nghiên cứu trước đây để đánh giá hiệu quả. Thử nghiệm sẽ sử dụng ống có cánh micro để tối ưu hóa truyền nhiệt và giảm tổn thất.

3.1. Thiết bị và phương pháp đo lường

Hệ thống thử nghiệm bao gồm máy nén roto cánh trượt 1 HP, dàn nóng công suất 1,5 HP và các cảm biến đo áp suất, nhiệt độ và lưu lượng. Các thiết bị đo được lắp đặt tại các điểm quan trọng như sau máy nén, dàn nóng và dàn lạnh. Thử nghiệm sẽ tiến hành ở nhiệt độ môi trường từ 25°C đến 40°C và vận tốc khối từ 0,5 đến 1,5 m/s. Dữ liệu sẽ được thu thập và xử lý bằng phần mềm LabVIEW để phân tích hiệu suất. Các kết quả sẽ được so sánh với mô hình lý thuyết để đánh giá độ chính xác.

3.2. Tối ưu hóa chu trình và phân tích kết quả

Phân tích kết quả sẽ tập trung vào việc xác định các thông số tối ưu như áp suất ngưng tụ, nhiệt độ bão hòa và chất lượng hơi. Các mô hình toán học sẽ được sử dụng để dự đoán hiệu suất chu trình và so sánh với kết quả thực nghiệm. Nghiên cứu sẽ đánh giá tác động của ống có cánh micro đến hiệu suất truyền nhiệt và tổn thất áp suất. Kết quả sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế hệ thống điều hòa không khí hiệu quả sử dụng CO₂.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy CO₂ có thể thay thế môi chất truyền thống trong điều hòa không khí với hiệu suất cao và thân thiện môi trường. Thử nghiệm xác định rằng sử dụng ống có cánh micro tăng hiệu suất truyền nhiệt từ 1,9 đến 2,3 lần so với ống trơn. Tuy nhiên, áp suất làm việc cao đòi hỏi thiết bị chịu lực tốt hơn. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng CO₂ có hệ số truyền nhiệt cao hơn ở nhiệt độ bão hòa và chất lượng hơi trung bình. Ứng dụng thực tiễn bao gồm các hệ thống điều hòa không khí công nghiệp và dân dụng, đặc biệt là ở các khu vực có yêu cầu nhiệt độ cao. Kết quả này cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển máy nén và hệ thống CO₂ hiệu quả.

4.1. Hiệu quả và ứng dụng của CO₂ trong điều hòa

CO₂ mang lại hiệu quả cao trong điều hòa không khí với tiêu thụ điện năng thấp hơn so với môi chất truyền thống. Tuy nhiên, áp suất làm việc cao yêu cầu đầu tư thiết bị chịu lực. Các hệ thống CO₂ hiện đang được áp dụng trong lạnh sâu, nhưng nghiên cứu này mở đường cho việc sử dụng trong điều hòa không khí. Kết quả sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống và giảm chi phí vận hành. Ứng dụng thực tiễn bao gồm các tòa nhà công nghiệp và khu vực có nhu cầu lạnh cao.

4.2. Khuyến nghị cho nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc phát triển máy nén CO₂ chuyên dụng và tối ưu hóa chu trình để giảm tổn thất áp suất. Các mô hình toán học cần được cải tiến để dự đoán hiệu suất trong điều kiện thực tế. Ngoài ra, việc nghiên cứu các loại ống có cánh mới cũng sẽ tăng hiệu suất truyền nhiệt. Kết quả này sẽ hỗ trợ cho việc triển khai rộng rãi hệ thống điều hòa không khí sử dụng CO₂ trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về đề tài nghiên cứu 1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Nghiên cứu so sánh về việc sử dụng môi chất CO 2 với môi chất lạnh khác đã được Lorentzen [1] nghiên cứu và cho rằng việc sử dụng CO 2 với hệ thống điều hòa không khí tiết kiệm năng lượng khoảng 20% so với việc sử dụng môi chất R12 ở cùng nhiệt độ. Ngoài ra tác giả còn đưa ra một số lợi thế khi sử dụng môi chất CO 2 như áp suất làm việc gần với mức tối ưu về kinh tế; kích thước của thiết bị nhỏ gọn; tỉ lệ nén thấp hơn nhiều so với chất làm lạnh thông thường; hoàn toàn tương thích với chất bôi trơn thông thường và vật liệu chế tạo phổ biến, sẵn có ở khắp mọi nơi; giá thành rất thấp; vận hành và bảo trì đơn giản, công suất làm lạnh lớn. Zhao và cộng sự [2] đã thực nghiệm cho dòng chảy sôi của CO2 và R134a trong một kênh micro, với độ khô 0,05 - 0,3. Họ kết luận rằng, lưu lượng khối lượng có ảnh hưởng rất nhỏ đến hệ số truyền nhiệt của cả CO2 và R134a.

Ngoài ra, hệ số truyền nhiệt của CO2 cao hơn khoảng 200% hệ số truyền nhiệt của R134a. Yun cùng cộng sự [3] đã nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt khi sôi của CO 2 trong kênh micro. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ số truyền nhiệt trung bình của CO2 cao hơn so với R134a là 53%. Ảnh hưởng của mật độ dòng nhiệt đến hệ số truyền nhiệt là cao hơn đáng kể so với lưu lượng khối lượng.

Khi đường kính thủy lực giảm từ 1,54 - 1,27 mm và từ 1,27 - 1,08 mm tại mật độ dòng nhiệt là 15 kW/m2 và lưu lượng khối lượng 300 kg/m2s thì hệ số truyền nhiệt tăng tương ứng 5% và 31%. Gasche [4] đã nghiên cứu thực nghiệm về sự bay hơi CO 2 bên trong kênh micro dạng ống với đường kính 0,8 mm. Tổng cộng có 67 thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt 1 2 độ bão hòa 23,3°C, mật độ dòng nhiệt 1800 W/(m °C), độ khô dao động 0,005 - 0,88 2 và lưu lượng khối lượng khoảng 58 - 235 kg/(m s). Kết quả thu được là hệ số 2 truyền nhiệt trung bình 9700 W/(m °C) với sai số chuẩn là 35%.

Độ khô của dòng chảy đặc trưng cho sự giảm hệ số truyền nhiệt. Đối với độ khô thấp (khoảng 0,25) thì dòng chảy chậm là chiếm ưu thế, ngược lại đối với độ khô cao (trên 0,50) thì dòng hình khuyên là tốt hơn. Kim và Bullard [5] cũng đã nghiên cứu và đưa ra những kết quả rất quan trọng về sự bay hơi của môi chất CO 2 trong thiết bị bay hơi. Trong nghiên cứu này các công thức về sự truyền nhiệt và tổn thất áp suất do ma sát cho bộ trao đổi nhiệt kênh micro theo trạng thái lỏng sôi và bão hòa khô đều được thiết lập từ các phương trình cân bằng khối lượng và cân bằng năng lượng.

Các kết quả mô phỏng số cũng như các công thức về sự truyền nhiệt và tổn thất áp suất cho thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro đã được nghiên cứu. Nghiên cứu về dòng hai pha trong kênh micro đã được Yu cùng cộng sự [6] nghiên cứu và đưa ra các kết luận: Dòng chảy hai pha có nhiều thuận lợi hơn về truyền nhiệt và truyền chất so với dòng một pha; chế độ dòng chảy khác nhau với hình dạng bong bóng khác nhau tùy thuộc vào số lượng ống mao của dòng chảy; lượng Ca cao (Ca > 0,03), bong bóng thường được hình thành bởi lực cắt không ổn định, đặc trưng bởi sự kéo dài của dòng khí; khi lượng Ca thấp hơn (Ca < 0,01), các bong bóng thường được bị chèn ép bởi chênh lệch áp suất trong hai pha. Bằng phương pháp mô phỏng, Cheng và Thome [7] đã thực hiện nghiên cứu về nhiệt độ bay hơi của môi chất CO 2 trong thiết bị bay hơi kênh micro.Với dòng hai pha, môi chất CO2 có hệ số truyền nhiệt cao hơn nhiều và tổn thất áp suất thấp hơn môi chất R236fa. Tuy nhiên, áp suất làm việc của CO 2 là cao hơn nhiều so với R236fa.

Dựa trên các phân tích và so sánh, CO 2 dường như là một chất làm lạnh đầy hứa hẹn cho ứng dụng nhiệt độ thấp. Pettersen [8] đã nghiên cứu dòng chảy hai pha trong một kênh micro sử dụng môi chất CO 2 với 25 dòng kênh, đường kính trong 0,8 mm và chiều dài 0,5 m. Việc kiểm tra sự truyền nhiệt được thực hiện với các thay đổi, nhiệt độ từ 0 – 250C, lưu lượng khối lượng từ 190 - 570 kg/m 2s và mật độ dòng nhiệt 5 - 20 kW/m 2. Kết quả cho thấy sự truyền nhiệt chịu ảnh hưởng lớn bởi độ khô, đặc biệt là lưu lượng khối lượng cao 2 và nhiệt độ cao.

Thome và Ribatski [9] đã đánh giá tổng quan về truyền nhiệt đối với dòng chảy sôi và dòng chảy hai pha của CO 2. Trong cùng điều kiện nhiệt độ thì hiệu suất trao đổi nhiệt của CO 2 cao hơn so với môi chất lạnh thông thường. Ngoài ra, trong dòng chảy hai pha với môi chất CO 2 thì tổn thất áp suất cũng thấp hơn so với các môi chất lạnh khác. Colasson cùng cộng sự [10] cũng đã nghiên cứu dòng hai pha CO2 sự tổn thất áp suất trong một ống thép không ghỉ nằm ngang có đường kính trong 0,529 mm.

Các thí nghiệm được tiến hành trong điều 0 kiện đoạn nhiệt cho bốn nhiệt độ bão hòa -10; -5; 0; 5 C và lưu lượng khối lượng 2 từ 200 - 1400 kg/m s. Kết quả cho thấy rằng, ở độ khô thấp thì độ nhớt của hỗn hợp dòng hai pha lớn hơn độ nhớt chất lỏng. Vì vậy, độ nhớt phụ thuộc chính vào nhiệt độ bão hòa và cân bằng độ nhớt được đề nghị để giảm tổn thất áp suất. Heo cùng cộng sự [11] đã thực hiện hai thí nghiệm dòng 2 pha kênh micro có đường kính 1,44 mm, sử dụng môi chất R410a.

Họ nhận thấy rằng tổn thất áp suất tăng lên khi giữ nhiệt độ bão hòa, tăng dòng chất, hoặc tổn thất áp suất giảm khi giữ nguyên dòng chất, tăng nhiệt độ bão hoà. Cheng cùng cộng sự [12] đã nghiên cứu thực nghiệm về mô hình dòng chảy của CO 2 trong ống với đường kính ống 2 0,6 - 10 mm, lưu lượng khối lượng 50 - 1500 kg/m s, mật độ dòng nhiệt 1,8 - 46 2 0 kW/m và nhiệt độ bão hòa từ 25 - 28 C. Kết luận là tổn thất áp suất của dòng chảy hai pha CO2 thấp hơn nhiều so với các kết quả nghiên cứu trước. Schael và Kind [13] đã nghiên cứu về mô hình dòng chảy và đặc tính truyền nhiệt của CO2 trong ống có cánh kênh micro đồng thời so sánh với ống trơn.

Kết quả cho thấy rằng hệ số truyền nhiệt trong ống có cánh kênh micro là cao hơn đáng kể so với ống trơn. Hệ số truyền nhiệt tăng khi lưu lượng khối lượng thấp (75 - 250 kg/m 2s) nhưng lại giảm khi lưu lượng khối lượng được tăng lên đến 500 kg/m 2s. Wu cùng cộng sự [14] cũng đã nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của dòng chảy sôi CO2 trong ống mini với cánh micro xoắn góc 0 0. Kết quả cho thấy rằng hệ số truyền nhiệt tăng với độ khô thấp khoảng 0,2 - 0,4, đồng thời tăng mật độ dòng nhiệt và nhiệt độ bão hòa.

Tổn thất ấp suất tăng với việc tăng lưu lượng khối lượng và mật độ dòng nhiệt hoặc giảm nhiệt độ bão hòa và lưu lượng khối lượng. Cho cùng 3 cộng sự [15] đã nghiên cứu về những đặc điểm truyền nhiệt khi sôi của hỗn hợp CO2/propane trong ống trơn và ống micro có cánh. Đối với ống nằm ngang, thành phần của hỗn hợp CO2/propane là 75/25 thì hệ số truyền nhiệt là cao nhất. Hệ số truyền nhiệt của ống micro có cánh cao hơn so với các ống trơn là 120 - 170% khi các điều kiện thử nghiệm tương tự.

Đối với ống thẳng đứng, hệ số truyền nhiệt tăng khi tăng mật độ dòng nhiệt, lưu lượng khối lượng và tỷ lệ thành phần của CO2. Hỗn hợp CO2/propane 75/25 so với khí CO2 tinh khiết thì hệ số truyền nhiệt nhỏ hơn khoảng 91% và tổn thất áp suất nhỏ hơn khoảng 92%. Liên quan đến vật liệu chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro, Vamadevan và Kraft [16] đã nghiên cứu về những ảnh hưởng của ống kênh micro bằng hợp kim nhôm đến bộ trao đổi nhiệt của môi chất CO 2. Họ đã kiểm tra kênh micro ống nhôm mẫu AA3102 ở áp suất tĩnh và nhiều nhiệt độ khác nhau.

Bên cạnh đó Ducoulombier cùng cộng sự [17] đã nghiên cứu về hiệu suất truyền nhiệt khi sôi của CO 2 trong một kênh micro sử dụng ống thép không ghỉ với đường kính bên trong 0,529 mm, cho ba nhiệt độ sôi (-10, -5 và 00C), với lưu lượng khối lượng từ 200 - 1200 kg/m2s và mật độ dòng nhiệt từ 10 - 30 kW/m 2. Kết quả là hệ số truyền nhiệt của dòng sôi đối lưu cao hơn dòng sôi bọt. Đối với Bo > 1,1x10 -4, hệ số truyền nhiệt phụ thuộc nhiều vào mật độ dòng nhiệt, độ khô và lưu lượng khối lượng. Đối với Bo < 1,1x10 -4, hệ số truyền nhiệt hầu như không bị ảnh hưởng bởi mật độ dòng nhiệt nhưng ảnh hưởng mạnh mẽ bởi độ khô và lưu lượng khối lượng.

Đồng thời Pamitran cùng cộng sự [18] đã thí nghiệm về tổn thất áp suất cho sự bay hơi tự nhiên của CO 2 dòng chảy hai pha trong ống thép không ghỉ với đường kính trong 1,5 mm và 3,0 mm và có chiều dài 2000 mm và 3000 mm. Các thí nghiệm đã thực hiện tại giá trị nhiệt độ bão hòa 0 2 đầu vào -10, -5 và 10 C, lưu lượng khối lượng khoảng từ 200 - 600 kg/m s và mật 2 độ dòng nhiệt khoảng 10 - 30 kW/m. Nghiên cứu này cho thấy ảnh hưởng quan trọng của lưu lượng khối lượng, đường kính ống và nhiệt độ bão hòa đến tổn thất áp suất. So sánh với kết quả dự đoán và kết quả thực nghiệm sai số là 9,41 %.

Về ảnh hưởng của hình dáng và kích thước thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro đã được Ngo cùng cộng sự [19] nghiên cứu trên hai bộ trao đổi nhiệt kênh micro loại 4 cánh dạng chữ S và loại cánh zigzag cho chu trình CO 2. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng tổn thất áp suất thu được từ loại cánh chữ S nhỏ hơn 4 - 5 lần loại zigzag; tuy nhiên chỉ số Nuselt thu được từ loại cánh chữ S cũng chỉ bằng 24 – 34% loại cánh zigzag.