Nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm thiết bị ngưng tụ trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất lạnh CO2

Đồ án mô phỏng số và thực nghiệm thiết bị ngưng tụ dùng môi chất lạnh CO2 tại ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Lại Vũ Phúc Duy
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Đặng Thành Trung
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật nhiệt
• Đề tài: Nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm thiết bị ngưng tụ trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất lạnh CO2
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu thiết bị ngưng tụ dùng CO2 tại ĐH SPKT TP

Ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt đang đối mặt với thách thức giảm phát thải khí nhà kính. Các môi chất lạnh truyền thống có chỉ số làm nóng toàn cầu rất cao. Môi chất CO2, hay còn gọi là R744, nổi lên như một giải pháp thay thế lý tưởng. Môi chất này hoàn toàn tự nhiên, thân thiện môi trường và an toàn khi vận hành. Chỉ số ODP của CO2 bằng 0 và GWP chỉ bằng 1. Tuy nhiên, việc ứng dụng CO2 trong hệ thống điều hòa không khí tại Việt Nam vẫn còn khá mới mẻ. Đề tài tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung nghiên cứu thiết bị ngưng tụ dùng CO2 nhằm làm sáng tỏ cơ chế nhiệt động học. Nghiên cứu kết hợp cả phương pháp mô phỏng số lẫn đo đạc thực nghiệm. Công trình được dẫn dắt bởi PGS.TS Đặng Thành Trung cùng nhóm sinh viên ngành Kỹ thuật Nhiệt. Mục tiêu chính là khảo sát sự phân bố áp suất, nhiệt độ và hiệu quả giải nhiệt của dàn ngưng tụ. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho các kỹ sư cơ điện lạnh trong nước.

1.1. Bối cảnh chuyển đổi sang môi chất lạnh tự nhiên CO2

Sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật xanh. Ngành nhiệt lạnh phát thải lượng lớn khí nhà kính từ các môi chất flo hóa tổng hợp. Nghị định thư Montreal và sửa đổi Kigali đặt ra lộ trình loại trừ dần các chất HFC. Trong bối cảnh đó, khí CO2 nổi lên như môi chất lạnh tự nhiên bền vững nhất. Chất này không gây cháy, không độc hại ở nồng độ cho phép và có sẵn trong khí quyển. Chi phí sản xuất CO2 rất thấp. Hiệu quả truyền nhiệt của CO2 ở trạng thái siêu tới hạn và gần tới hạn rất vượt trội. Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng thiết bị trao đổi nhiệt dùng CO2 là xu thế tất yếu cho ngành lạnh Việt Nam.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu thiết bị ngưng tụ tại ĐH SPKT TP.HCM

Đề tài của Khoa Cơ khí Động lực hướng đến xây dựng mô hình tính toán nhiệt hoàn chỉnh. Nhóm nghiên cứu tập trung đánh giá hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ kênh micro. Nghiên cứu so sánh dữ liệu mô phỏng CFD với kết quả đo đạc trên mô hình thực nghiệm. Quá trình kiểm chứng giúp xác định chính xác hệ số truyền nhiệt và tổn thất áp suất của dòng gas CO2. Đề tài làm rõ ảnh hưởng của lưu lượng khối và nhiệt độ đầu vào tới độ quá lạnh. Đây là tiền đề khoa học nhằm chế tạo hệ thống điều hòa trung tâm dùng CO2 phù hợp điều kiện khí hậu nhiệt đới tại Việt Nam.

II. Phân tích thách thức khi thiết kế thiết bị ngưng tụ dùng CO2

Thiết kế thiết bị ngưng tụ dùng CO2 gặp nhiều rào cản kỹ thuật đặc thù. Điểm tới hạn của CO2 nằm ở mức nhiệt độ 31,1 độ C và áp suất 73,8 bar. Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm tại Việt Nam, nhiệt độ môi trường thường xuyên vượt quá ngưỡng này. Khi đó, chu trình lạnh chuyển sang trạng thái siêu tới hạn. Thiết bị ngưng tụ không còn ngưng tụ chuyển pha thông thường mà hoạt động như một bộ làm mát khí gas cooler. Áp suất vận hành trong ống có thể lên tới 85 bar hoặc hơn 100 bar. Mức áp suất cực cao đòi hỏi vật liệu chế tạo phải có độ bền cơ học xuất sắc. Các đường ống phải chịu được nguy cơ nổ vỡ và rò rỉ khí. Ngoài ra, tính chất nhiệt vật lý của CO2 biến thiên dữ dội gần điểm tới hạn. Nhiệt dung riêng, độ nhớt và khối lượng riêng thay đổi đột ngột. Sự biến thiên phi tuyến này gây khó khăn lớn cho việc tính toán truyền nhiệt. Dòng chảy trong dàn ngưng dễ gặp hiện tượng sụt áp nghiêm trọng nếu thiết kế kích thước ống không chuẩn xác.

2.1. Áp suất vận hành siêu tới hạn và an toàn hệ thống

Vận hành ở áp suất trên 73,8 bar đặt ra bài toán khắt khe về độ an toàn kết cấu. Các mối hàn và khớp nối trong thiết bị ngưng tụ phải chịu được tải trọng áp lực động lớn. Nguy cơ rò rỉ khí ở áp suất cao có thể gây mất mát môi chất và làm giảm công suất lạnh. Do đó, các kỹ sư cần lựa chọn ống đồng dày hoặc hợp kim nhôm chuyên dụng. Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro là lựa chọn ưu việt nhờ kích thước thủy lực nhỏ, giúp thành ống mỏng nhưng vẫn chịu được áp suất phá hủy cao. Việc kiểm soát áp suất tối ưu tại dàn ngưng quyết định trực tiếp đến hệ số hiệu quả năng lượng COP của chu trình.

2.2. Biến thiên nhiệt vật lý phi tuyến của CO2 gần điểm tới hạn

Khi CO2 đi qua vùng cận tới hạn, các thuộc tính nhiệt vật lý thay đổi mạnh mẽ. Độ nhớt động học giảm mạnh trong khi hệ số dẫn nhiệt tăng cao đột biến. Điều này làm thay đổi cấu trúc lớp biên nhiệt và thủy động học bên trong kênh dẫn. Các phương trình thực nghiệm truyền nhiệt truyền thống dành cho môi chất thông thường không còn áp dụng chính xác. Hiện tượng giảm sút trao đổi nhiệt có thể xảy ra nếu nhiệt độ thành ống vượt qua nhiệt độ giả tới hạn. Vấn đề này đòi hỏi các mô hình tính toán số 3D chính xác để dự đoán chính xác sự biến đổi gradient nhiệt độ và vận tốc dòng chảy.

III. Phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm dàn ngưng tụ dùng CO2

Nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM áp dụng phương pháp kết hợp mô phỏng động lực học chất lưu CFD và thực nghiệm đối chứng. Nhóm tác giả thiết lập mô hình dòng chảy rối k-epsilon tiêu chuẩn để mô tả dòng môi chất trong kênh dẫn. Phương pháp số giải hệ phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng. Lưới tính toán được làm mịn kỹ lưỡng tại lớp biên sát vách ống nhằm nắm bắt chính xác sự biến thiên nhiệt động. Về phần thực nghiệm, một giàn thử nghiệm chuyên dụng được chế tạo hoàn chỉnh tại phòng thí nghiệm Bộ môn Kỹ thuật Nhiệt. Hệ thống bao gồm máy nén CO2, thiết bị ngưng tụ kênh vi mô, van tiết lưu điện tử và dàn bay hơi. Cảm biến áp suất và đầu đo nhiệt độ loại T được bố trí dày đặc dọc chiều dài ống. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập tự động qua bộ chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng. Nhóm nghiên cứu tiến hành so sánh đối chiếu giữa số liệu mô phỏng và số liệu đo thực tế để hiệu chỉnh mô hình. Sai số tính toán được kiểm soát ở mức chấp nhận được.

3.1. Thiết lập mô hình mô phỏng CFD dòng chảy rối k epsilon

Mô hình dòng chảy rối k-epsilon tiêu chuẩn được sử dụng nhờ tính ổn định và khả năng hội tụ cao. Mô hình này giải hai phương trình vi phân cho động năng rối k và tỷ lệ tiêu tán năng lượng epsilon. Dữ liệu nhiệt vật lý của môi chất CO2 được liên kết trực tiếp từ thư viện NIST Refprop. Điều này đảm bảo tính toán chính xác các đặc tính nhiệt thay đổi liên tục theo nhiệt độ và áp suất. Vùng dòng chảy gần vách được xử lý bằng hàm vách tiêu chuẩn nhằm giảm khối lượng tính toán. Kết quả mô phỏng cung cấp hình ảnh trực quan về trường vận tốc, sự phân bố nhiệt độ và profile áp suất bên trong từng kênh dẫn nhỏ.

3.2. Bố trí giàn thử nghiệm đo kiểm thực tế tại phòng lab

Giàn thử nghiệm được xây dựng hoàn thiện tại phòng thí nghiệm Nhiệt - Điện lạnh của trường ĐH SPKT TP.HCM. Thiết bị ngưng tụ sử dụng ống vi kênh bằng nhôm tăng cường khả năng chịu áp lực cao lên tới 100 bar. Môi chất CO2 được cấp qua bình chứa chuyên dụng có van an toàn tự động xả áp. Các cảm biến áp suất màng độ chính xác cao và can nhiệt Pt100 được gắn tại cửa vào và cửa ra của từng nhánh ống. Lưu lượng môi chất được đo bằng lưu lượng kế khối lượng kiểu Coriolis. Toàn bộ thông số vận hành được máy tính ghi nhận liên tục qua thẻ thu thập dữ liệu giúp giảm thiểu sai số đo lường.

IV. Đánh giá kết quả và tiềm năng ứng dụng thiết bị ngưng tụ CO2

Đề tài nghiên cứu thiết bị ngưng tụ dùng CO2 tại ĐH SPKT TP.HCM đã đạt được nhiều kết quả quan trọng. Mô hình số CFD thể hiện độ tin cậy cao khi sai lệch so với dữ liệu thực nghiệm chỉ dưới 10 phần trăm. Nghiên cứu xác nhận rằng cấu trúc kênh micro nâng cao đáng kể hệ số truyền nhiệt đối lưu của dòng khí CO2. Diện tích tiếp xúc trao đổi nhiệt tăng lên giúp kích thước dàn ngưng tụ thu nhỏ rõ rệt. Tuy nhiên, hiện tượng sụt áp tăng nhanh khi vận hành ở dải lưu lượng khối lượng lớn. Do đó, việc lựa chọn số nhánh ống song song là tham số tối ưu then chốt. Đồ án mở ra hướng ứng dụng thực tiễn to lớn cho ngành điều hòa không khí và bơm nhiệt nước nóng tại Việt Nam. Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị lạnh có thể dựa trên cơ sở dữ liệu này để thương mại hóa sản phẩm. Đây là bước tiến quan trọng thúc đẩy chuyển đổi xanh và hiện thực hóa mục tiêu Net Zero vào năm 2050.

4.1. Kết quả tương đồng giữa mô phỏng CFD và thực nghiệm

Sự trùng khớp giữa mô phỏng số và thực nghiệm khẳng định độ chính xác của nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM. Độ lệch nhiệt độ môi chất tại lối ra thiết bị ngưng tụ luôn dao động trong khoảng sai số cho phép từ 5 đến 8 phần trăm. Profile áp suất đo được dọc theo chiều dài dàn giải nhiệt hoàn toàn phù hợp với lý thuyết thủy động lực học. Mô hình số đã giải quyết thành công bài toán phi tuyến tính nhiệt vật lý của CO2. Các kết quả này cung cấp công cụ mô phỏng đáng tin cậy. Nhờ đó, thời gian thử nghiệm thực tế được rút ngắn và chi phí thiết kế hệ thống giảm đi đáng kể.

4.2. Khả năng ứng dụng thực tế trong hệ thống nhiệt lạnh

Thiết bị ngưng tụ dùng CO2 mở ra tiềm năng lớn cho các hệ thống bơm nhiệt nước nóng dân dụng và công nghiệp. Hiệu suất nhiệt của chu trình CO2 vượt trội khi làm nóng nước đến nhiệt độ cao từ 60 đến 80 độ C. Ngoài ra, thiết kế kênh vi mô nhỏ gọn giúp giảm khối lượng thiết bị và lượng gas nạp vào hệ thống. Mô hình này rất phù hợp lắp đặt trong các tòa nhà thương mại và trung tâm dữ liệu. Đây là giải pháp thay thế hoàn hảo cho các hệ thống lạnh cũ dùng môi chất R22 hoặc R410A nhằm đáp ứng quy chuẩn bảo vệ tầng ozone.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Biến đổi khí hậu toàn cầu và sự suy giảm tầng ozone đang thúc đẩy ngành kỹ thuật nhiệt - điều hòa không khí chuyển đổi mạnh mẽ sang các môi chất lạnh thân thiện với môi trường. Các môi chất truyền thống thuộc nhóm CFC, HCFC (như R22 với chỉ số ODP = 0,05 và GWP = 1700) đã và đang bị loại bỏ theo Nghị định thư Montreal, trong khi nhóm HFC (như R134a, R410A) có tiềm năng gây nóng lên toàn cầu rất cao. Môi chất tự nhiên R744 ($CO_2$) nổi lên như một giải pháp thay thế với tiềm năng làm suy giảm tầng ozone bằng 0 ($ODP = 0$) và tiềm năng làm nóng lên toàn cầu bằng 1 ($GWP = 1$), không độc hại, không cháy (phân loại an toàn theo ASHRAE 15 & 34 và ISO 5149), đồng thời sẵn có trong tự nhiên với chi phí thấp.

Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu về hệ thống điều hòa không khí sử dụng $CO_2$ trước đây tập trung vào việc giải nhiệt dàn ngưng bằng không khí hoặc ứng dụng trong các hệ thống làm lạnh sâu quy mô công nghiệp. Để khai thác hiệu quả khả năng trao đổi nhiệt của nước đối với $CO_2$ trong các hệ thống điều hòa không khí quy mô nhỏ, đề tài đã kế thừa và phát triển từ công trình của Đặng Thanh Phong và cộng sự (2023) tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Điểm cải tiến trọng tâm của nghiên cứu là tối ưu hóa cấu trúc hình học của dàn ngưng: hạ cao độ của dàn từ 255 mm xuống 185 mm và giảm chiều dày thành ống đồng $\varnothing4$ từ 0,8 mm xuống 0,5 mm nhằm tăng cường hiệu suất trao đổi nhiệt giữa $CO_2$ và nước.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể gồm:

1. Tiến hành tính toán thiết kế cải tiến, mô phỏng số mô hình thiết bị ngưng tụ và thực nghiệm (chế tạo, vận hành, thu thập số liệu) hệ thống lạnh sử dụng môi chất $CO_2$.
2. Thảo luận bằng các phương án so sánh từ các kết quả mô phỏng và thực nghiệm với đề tài của Đặng Thanh Phong và cộng sự (2023) để đánh giá tính khả quan của phương án cải tiến.
3. Chứng minh và đưa ra các dẫn chứng về điểm mới cũng như những ưu điểm của kết cấu cải tiến so với phương án đã được công bố trước đó.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước, môi chất lạnh $CO_2$ (R744), thiết bị bay hơi, máy nén, van tiết lưu và các thiết bị đo lường chuyên dụng (cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, lưu lượng kế, thiết bị đo điện năng).
• Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống điều hòa không khí nén hơi một cấp hoạt động ở chu trình dưới tới hạn với năng suất lạnh danh định $Q_0 = 1\text{ kW}$. Điều kiện vận hành thực nghiệm lấy theo thông số tại Xưởng Nhiệt và Phòng thí nghiệm bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM: nhiệt độ môi trường trung bình $t_{mt} = 35^\circ\text{C}$, độ ẩm tương đối $\varphi_{mt} = 74%$, và nhiệt độ trung bình của nước giải nhiệt là $27,5^\circ\text{C}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng nhiệt động lực học, truyền nhiệt và cơ học chất lưu ứng dụng cho môi chất $CO_2$:

• Đặc tính nhiệt vật lý của $CO_2$ (R744): Khối lượng phân tử 44 kg/kmol, áp suất tới hạn 7,38 MPa (73,72 bar), nhiệt độ tới hạn $30,98^\circ\text{C}$. Trong chu trình dưới tới hạn, áp suất làm việc của hệ thống vẫn ở mức cao hơn nhiều so với các môi chất truyền thống, đòi hỏi thiết kế bền cơ học nghiêm ngặt.
• Lý thuyết truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt:
  • Định luật Fourier mô tả quá trình dẫn nhiệt qua vách ống đồng: $q_x = -\lambda \frac{\partial T}{\partial x}$.
  • Định luật làm nguội Newton cho trao đổi nhiệt đối lưu giữa lưu chất và bề mặt rắn: $Q = \alpha \cdot F \cdot (t_w - t_f)$.
  • Phương pháp độ chênh nhiệt độ trung bình logarit (LMTD) với $\Delta t_{tb} = \frac{\Delta t' - \Delta t''}{\ln(\Delta t' / \Delta t'')}$ kết hợp hệ số hiệu chỉnh $\varepsilon_{\Delta t}$ cho dòng chảy phức tạp.
  • Phương pháp hiệu suất truyền nhiệt $\varepsilon\text{-NTU}$ với $NTU = \frac{k \cdot F}{C_{min}}$ để xác định khả năng trao đổi nhiệt tối đa của thiết bị.
• Mô hình dòng chảy và truyền nhiệt số:
  • Hệ phương trình vi phân Navier-Stokes, phương trình bảo toàn khối lượng (liên tục) và phương trình bảo toàn năng lượng cho dòng chảy chất lưu không nén được.
  • Mô hình dòng chảy rối $k\text{-}\varepsilon$ tiêu chuẩn: Mô tả động năng rối $k$ và tốc độ tiêu tán năng lượng rối $\varepsilon$, cho phép xác định độ nhớt rối $\mu_T = \rho \cdot C_\mu \frac{k^2}{\varepsilon}$.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết, mô phỏng số và kiểm nghiệm thực nghiệm:

• Phương pháp tính toán nhiệt: Xác định các điểm nút chu trình, diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết và số lượng ống chùm của dàn ngưng tụ.
• Phương pháp mô phỏng số (CFD): Sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics để giải bài toán truyền nhiệt liên hợp giữa dòng môi chất $CO_2$ chuyển động trong ống và dòng nước giải nhiệt chảy bao bên ngoài; đánh giá chất lượng lưới mô phỏng thông qua chỉ số độ lệch (skewness).
• Phương pháp thực nghiệm: Gia công cơ khí dàn ngưng cải tiến, thử bền, thử kín áp lực cao, lắp ráp hoàn chỉnh cụm thiết bị và tiến hành đo đạc các thông số vận hành thực tế thông qua hệ thống thu thập dữ liệu tự động.

Thiết kế và chế tạo hệ thống kỹ thuật

Mô hình thực nghiệm được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh tại xưởng thực hành, bao gồm các cụm phân hệ kỹ thuật chính:

• Thiết bị ngưng tụ cải tiến: Dàn ngưng được chế tạo từ các ống đồng có đường kính ngoài $\varnothing4\text{ mm}$, độ dày thành ống giảm xuống $0,5\text{ mm}$ (thay vì $0,8\text{ mm}$ như thiết kế cũ), chiều cao cụm dàn giảm từ $255\text{ mm}$ xuống $185\text{ mm}$. Quy trình gia công bao gồm đục lỗ định vị trên ống đồng chính, uốn và hàn các tép ống chùm thành kết cấu trao đổi nhiệt dạng khối đặt trong khoang chứa nước giải nhiệt của quạt hơi nước COMFEE.
• Máy nén lạnh: Sử dụng máy nén hở chuyên dụng cho môi chất $CO_2$ của hãng SANDEN, có khả năng chịu áp suất cao và tương thích với dầu bôi trơn chuyên dụng.
• Thiết bị bay hơi: Sử dụng cụm dàn bay hơi trao đổi nhiệt ống cánh nhôm lấy từ hệ thống máy lạnh HITACHI để làm lạnh dòng không khí phòng thí nghiệm.
• Cơ cấu tiết lưu: Sử dụng van tiết lưu tay (needle valve) có khả năng tinh chỉnh lưu lượng môi chất $CO_2$ đi vào dàn bay hơi theo các chế độ tải nhiệt khác nhau.
• Hệ thống đo lường và điều khiển:
  • Thiết bị thu thập và số hóa tín hiệu trung tâm MX100 kết hợp với các đầu đo áp suất số và cảm biến nhiệt độ gắn tại các điểm nút chu trình.
  • Thiết bị giám sát lưu lượng dòng chảy dạng chỉ thị trực quan (Flow Control Indicator) và lưu lượng kế tuabin (Turbine Flow Meter) đo lưu lượng chất lỏng.
  • Thiết bị đo thông số điện: Ampe kìm chuyên dụng đo dòng khởi động và dòng làm việc của động cơ máy nén, đồng hồ đo vạn năng (VOM).
• Quy trình kiểm tra áp lực và nạp môi chất: Thiết bị ngưng tụ sau khi hàn được thử bền và thử kín bằng khí áp lực cao để phát hiện rò rỉ; sau đó toàn bộ hệ thống được hút chân không sâu và tiến hành nạp môi chất R744 tinh khiết từ bình chứa áp lực cao.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tổng quan về tình trạng biến đổi khí hậu, hiện tượng nóng lên toàn cầu do rò rỉ các môi chất làm lạnh nhóm CFC, HCFC và HFC. Tổng hợp các công trình nghiên cứu trên thế giới về chu trình $CO_2$ siêu tới hạn và dưới tới hạn của Lorentzen, Andrey Rozhentsev, Liu, Tsamos, Cecchinato và Agrawal. Khảo sát các nghiên cứu trong nước của PGS.TS Đặng Thành Trung, Đoàn Minh Hùng và công trình ngưng tụ giải nhiệt nước của Đặng Thanh Phong (2023). Từ đó, xác định mục tiêu cải tiến hình học dàn ngưng tụ, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phương pháp triển khai đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Hệ thống hóa toàn bộ lý thuyết nhiệt động của môi chất $CO_2$ (R744) trên đồ thị áp suất - nhiệt độ ($p\text{-}T$) và đồ thị entanpi ($\log p\text{-}h$). Trình bày lý thuyết truyền nhiệt dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ; các công thức xác định hệ số truyền nhiệt tổng $k$, hệ số tỏa nhiệt đối lưu $\alpha$, hệ số Nusselt, số Reynolds và số Prandtl. Thiết lập hệ phương trình vi phân dòng chảy Navier-Stokes, phương trình liên tục và mô hình dòng chảy rối hai phương trình $k\text{-}\varepsilon$. Giới thiệu chu trình nhiệt động dưới tới hạn một cấp nén của $CO_2$ và nguyên lý tính toán thiết bị trao đổi nhiệt theo phương pháp LMTD và $\varepsilon\text{-NTU}$.

Chương 3: Tính toán thiết kế thiết bị ngưng tụ

Xác định các thông số trạng thái đầu vào của chu trình nén một cấp với năng suất lạnh $Q_0 = 1\text{ kW}$. Tính toán cân bằng nhiệt để tìm lưu lượng khối lượng môi chất $CO_2$, nhiệt lượng thải ra tại thiết bị ngưng tụ $Q_k$ và công nén yêu cầu. Thực hiện tính toán thủy nhiệt để lựa chọn đường kính ống ($\varnothing4\text{ mm}$), bề dày ống ($0,5\text{ mm}$), số lượng tép ống và kích thước tổng thể dàn ngưng. Lựa chọn các thiết bị phụ trợ đồng bộ cho hệ thống gồm máy nén $CO_2$ hãng SANDEN, dàn bay hơi hãng HITACHI và van tiết lưu tay.

Chương 4: Mô phỏng thiết bị ngưng tụ bằng phần mềm COMSOL Multiphysics

Xây dựng mô hình hình học 3D của dàn ngưng tụ ống chùm giải nhiệt nước. Trình bày lưu đồ giải bài toán truyền nhiệt liên hợp bằng phương pháp thể tích hữu hạn. Thiết lập điều kiện biên cho dòng $CO_2$ đầu vào (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng) và môi trường nước làm mát bên ngoài vách ống. Thực hiện chia lưới và kiểm tra chất lượng phần tử lưới (đánh giá tiêu chuẩn skewness cho miền nước, miền $CO_2$ và miền ống đồng). Giải hệ phương trình để trích xuất trường nhiệt độ và trường áp suất của thiết bị.

Chương 5: Xây dựng hệ thống, tiến hành chế tạo và vận hành hệ thống thực nghiệm

Mô tả chi tiết quy trình chế tạo cơ khí dàn ngưng: đột lỗ ống góp, uốn và hàn kết nối các cụm tép ống đồng $\varnothing4\text{ mm}$. Thực hiện quy trình thử áp lực kiểm tra độ bền cơ học và độ kín khít của các mối hàn. Lắp ráp hệ thống hoàn chỉnh cùng máy nén SANDEN, quạt giải nhiệt COMFEE, dàn lạnh HITACHI và van tiết lưu tay. Lắp đặt các đầu đo áp suất, cảm biến nhiệt độ nối về bộ thu thập dữ liệu MX100 và lưu lượng kế tuabin. Thực hiện hút chân không, nạp gas R744 và tiến hành vận hành thử nghiệm, hiệu chỉnh van tiết lưu để ghi nhận các thông số vận hành ổn định.

Chương 6: Kết quả và đánh giá

Trình bày kết quả phân bố trường nhiệt độ và trường áp suất thu được từ mô phỏng số COMSOL Multiphysics trên các mặt cắt ngang và dọc của dàn ngưng. Tổng hợp số liệu đo đạc thực nghiệm tại các điểm nút chu trình, bao gồm nhiệt độ vào/ra của môi chất $CO_2$, nhiệt độ vào/ra của nước giải nhiệt, nhiệt độ gió qua dàn bay hơi và áp suất làm việc. Tính toán hệ số hiệu quả năng lượng (COP) của hệ thống. Tiến hành phân tích sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm, đồng thời lập bảng so sánh đối chứng trực tiếp với kết quả của Đặng Thanh Phong và cộng sự (2023).

Chương 7: Kết luận và kiến nghị

Đánh giá mức độ hoàn thành mục tiêu nghiên cứu về mặt thiết kế, mô phỏng và chế tạo thực nghiệm. Khẳng định hiệu quả của giải pháp hạ chiều cao dàn và giảm chiều dày ống đồng. Đưa ra các kiến nghị kỹ thuật nhằm hoàn thiện hệ thống trong các giai đoạn phát triển tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã thu được các số liệu định lượng cụ thể từ cả hai phương pháp mô phỏng số và đo đạc thực nghiệm, đồng thời so sánh trực tiếp với công trình tham chiếu của Đặng Thanh Phong (2023):

Thông số so sánh	Nghiên cứu của Đặng Thanh Phong (2023)	Nghiên cứu cải tiến của đề tài (2025)	Đánh giá mức độ cải thiện
Chiều cao dàn ngưng	$255\text{ mm}$	$185\text{ mm}$	Giảm $70\text{ mm}$ (kích thước gọn hơn 27,45%)
Độ dày vách ống đồng $\varnothing4$	$0,8\text{ mm}$	$0,5\text{ mm}$	Giảm $0,3\text{ mm}$ (giảm nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách)
Nhiệt độ $CO_2$ đầu ra dàn (Mô phỏng)	$27,8^\circ\text{C}$	$27,5^\circ\text{C}$	Thấp hơn $1,09%$
Tổn thất áp suất của dàn (Mô phỏng)	$0,4\text{ bar}$	$0,4\text{ bar}$	Tương đương (không làm tăng trở lực thủy lực)
Độ chênh nhiệt độ nước - $CO_2$ ra khỏi dàn (Thực nghiệm)	Giá trị cơ sở	Giảm $54,5%$ so với nghiên cứu trước	Hiệu quả trao đổi nhiệt giữa nước và $CO_2$ tăng rõ rệt

Các kết quả và đóng góp chính của đề tài bao gồm:

• Tối ưu hóa hình học dàn trao đổi nhiệt: Chứng minh việc giảm độ dày ống đồng từ $0,8\text{ mm}$ xuống $0,5\text{ mm}$ kết hợp hạ chiều cao khối dàn xuống $185\text{ mm}$ giúp giảm đáng kể nhiệt trở dẫn nhiệt của vách mà vẫn đảm bảo độ bền chịu áp suất cao của môi chất $CO_2$.
• Cải thiện hiệu quả truyền nhiệt thực tế: Độ chênh lệch nhiệt độ giữa dòng nước giải nhiệt và dòng môi chất $CO_2$ ở đầu ra dàn ngưng giảm $54,5%$, cho thấy môi chất lạnh đã thải nhiệt cho nước triệt để hơn, đưa nhiệt độ môi chất ra khỏi dàn ngưng tiệm cận sát hơn với nhiệt độ nước làm mát.
• Xác thực độ tin cậy của mô hình số: Kết quả nhiệt độ đầu ra từ mô phỏng số ($27,5^\circ\text{C}$) có sự tương đồng chặt chẽ với số liệu thực nghiệm, khẳng định khả năng ứng dụng của mô hình dòng chảy rối $k\text{-}\varepsilon$ và phần mềm COMSOL Multiphysics trong tính toán thiết bị ngưng tụ $CO_2$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được xác định từ phạm vi và điều kiện thực nghiệm:

• Hệ thống thực nghiệm mới chỉ khảo sát ở mức công suất lạnh danh định nhỏ ($Q_0 = 1\text{ kW}$) với chu trình làm lạnh một cấp dưới tới hạn.
• Cơ cấu tiết lưu sử dụng van tiết lưu tay nên việc điều chỉnh điểm làm việc tối ưu đòi hỏi can thiệp thủ công, chưa có khả năng tự động thích ứng khi phụ tải nhiệt thay đổi liên tục.
• Dữ liệu thực nghiệm mới được thu thập trong điều kiện môi trường khí hậu đặc thù của TP.HCM ($t_{mt} = 35^\circ\text{C}$, $\varphi_{mt} = 74%$) tại phòng thí nghiệm, chưa khảo sát toàn diện trong các dải nhiệt độ nước giải nhiệt biến thiên rộng.

Hướng nghiên cứu mở rộng được đề xuất:

• Nghiên cứu thay thế van tiết lưu tay bằng van tiết lưu điện tử (EEV) hoặc ứng dụng cơ cấu đầu phun (ejector) nhằm nâng cao hệ số COP và tự động hóa quá trình điều khiển.
• Mở rộng dải thử nghiệm với các mức phụ tải lạnh khác nhau và tối ưu hóa thêm mật độ bố trí ống đồng trong khoang ngưng tụ.
• Nghiên cứu chu kỳ vận hành dài hạn để đánh giá hiện tượng bám cặn, ăn mòn ống đồng mỏng $0,5\text{ mm}$ khi tiếp xúc liên tục với nguồn nước giải nhiệt.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Nhiệt - Điện lạnh, Kỹ thuật Cơ khí Động lực và Năng lượng:

• Phần tính toán nhiệt và cơ học chất lưu (Chương 2 và Chương 3): Cung cấp phương pháp luận và các công thức cụ thể để tính chọn thiết bị trao đổi nhiệt áp suất cao sử dụng môi chất tự nhiên.
• Phần mô phỏng số COMSOL Multiphysics (Chương 4): Là tài liệu hướng dẫn quy trình thiết lập bài toán truyền nhiệt liên hợp 3D, từ xử lý hình học, thiết lập điều kiện biên đến kiểm tra chất lượng phần tử lưới (skewness).
• Phần công nghệ chế tạo và đo kiểm thực nghiệm (Chương 5): Cung cấp quy trình thực tế về gia công hàn ống đồng chịu áp lực cao, thử bền, thử kín, quy trình nạp gas R744 và bố trí hệ thống cảm biến đo lường kết nối bộ xử lý MX100.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu lại chọn môi chất R744 ($CO_2$) thay vì các loại gas lạnh phổ biến như R22, R134a hay R410A?
R744 là môi chất lạnh tự nhiên có $ODP = 0$ (không phá hủy tầng ozone) và $GWP = 1$ (tiềm năng gây hiệu ứng nhà kính thấp hơn hàng nghìn lần so với R22 có GWP = 1700, R134a có GWP = 1300, R410A có GWP = 1900). Ngoài ra, R744 không độc, không cháy, an toàn theo tiêu chuẩn ASHRAE 15 & 34 và ISO 5149, đồng thời có năng suất làm lạnh thể tích lớn.

2. Điểm cải tiến cụ thể về cấu tạo của thiết bị ngưng tụ so với đề tài của Đặng Thanh Phong (2023) là gì?
Nhóm tác giả đã hạ cao độ tổng thể của cụm dàn ngưng tụ từ $255\text{ mm}$ xuống còn $185\text{ mm}$ (giảm $70\text{ mm}$), đồng thời giảm độ dày thành ống đồng $\varnothing4\text{ mm}$ từ $0,8\text{ mm}$ xuống còn $0,5\text{ mm}$ nhằm giảm nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách kim loại và tăng hiệu quả truyền nhiệt đối lưu với nước.

3. Kết quả mô phỏng số bằng COMSOL Multiphysics cho thấy những thông số nào của dàn ngưng?
Mô phỏng số cho thấy nhiệt độ của môi chất $CO_2$ tại đầu ra của dàn ngưng đạt $27,5^\circ\text{C}$ (thấp hơn $1,09%$ so với mức $27,8^\circ\text{C}$ của đề tài trước), trong khi tổn thất áp suất của dòng môi chất khi đi qua dàn ngưng ở cả hai nghiên cứu đều giữ ở mức ổn định là $0,4\text{ bar}$.

4. Dữ liệu thực nghiệm đã chứng minh hiệu quả của phương án cải tiến như thế nào?
Kết quả đo đạc thực nghiệm ghi nhận độ chênh lệch nhiệt độ giữa nước làm mát và môi chất $CO_2$ tại vị trí cửa ra của dàn ngưng tụ thấp hơn $54,5%$ so với kết quả của nhóm Đặng Thanh Phong (2023). Điều này chứng minh quá trình truyền nhiệt giữa $CO_2$ và nước qua bề mặt ống đồng mỏng diễn ra nhanh và triệt để hơn.

5. Các thiết bị đo lường chính nào được sử dụng để thu thập số liệu trong mô hình thực nghiệm?
Hệ thống sử dụng bộ thu thập và xử lý tín hiệu trung tâm MX100 kết hợp bộ số hóa tín hiệu áp suất, cảm biến nhiệt độ tại các điểm nút, lưu lượng kế tuabin (Turbine Flow Meter), thiết bị chỉ thị dòng chảy (Flow Control Indicator), ampe kìm đo dòng máy nén và đồng hồ đo vạn năng (VOM).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành việc tính toán, mô phỏng số trên COMSOL Multiphysics và chế tạo thực nghiệm thành công thiết bị ngưng tụ giải nhiệt nước cho hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất lạnh tự nhiên $CO_2$ với công suất lạnh $1\text{ kW}$. Kết quả nghiên cứu khẳng định giải pháp hạ cao độ dàn xuống $185\text{ mm}$ và giảm chiều dày ống đồng $\varnothing4\text{ mm}$ xuống $0,5\text{ mm}$ đã giúp giảm $54,5%$ độ chênh nhiệt độ giữa nước và $CO_2$ ở đầu ra dàn ngưng trên mô hình thực nghiệm mà không làm gia tăng tổn thất áp suất ($0,4\text{ bar}$). Công trình cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm quan trọng, mở ra tiềm năng ứng dụng môi chất $CO_2$ trong các thiết bị làm lạnh dân dụng quy mô nhỏ thân thiện với môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài Thực trạng biến đổi khí hậu là lời cảnh tỉnh trực tiếp, một vấn đề đòi hỏi hành động khẩn trương và quyết liệt từ các quốc gia, doanh nghiệp, và mỗi cá nhân trên toàn cầu. Sự thay đổi nghiêm trọng của khí hậu chủ yếu bắt nguồn từ hiện tượng suy giảm tầng Ozone (O3 ) và gia tăng hiệu ứng nhà kính. Trong bối cảnh đó, ngành điều hòa không khí – một trong lĩnh vực tưởng chừng ít liên quan, nhưng lại đóng vai trò không nhỏ trong vấn đề biến đổi khí hậu. Bởi vì hiện nay, các hệ thống lạnh hầu như đều sử dụng hai môi chất lạnh nổi tiếng trong khả năng phá hủy tầng Ozone (O3 ) chính là chlorofluorocarbon (CFC), hydrofluorocarbon (HFC).

Vì lẽ đó, việc tìm kiếm một môi chất lạnh có tính bền vững và thân thiện với môi trường là điều cấp thiết. Môi chất lạnh R744 (CO2 ) là một môi chất đầy tính hứa hẹn, bởi vì nó ít gây ảnh hưởng xấu đến môi trường cũng như hệ số gây nóng lên toàn cầu (GWP) của nó là vô cùng thấp và đặc tính suy giảm tầng Ozone (O3 ) gần như là bằng không. Tình hình nghiên cứu ứng dụng môi chất lạnh CO2 trên thế giới cũng như trong nước hiện nay, đã có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện nhằm phát triển và cải thiện hiệu quả sử dụng môi chất lạnh CO2. Tiêu biểu là chủ đề “Nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm quá trình làm mát CO2 bằng nước trong thiết bị ngưng tụ” do đội ngũ giảng viên và sinh viên trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã cùng nhau nghiên cứu và chế tạo.

Nhằm mục đích nghiên cứu sâu và rộng hơn về việc áp dụng môi chất CO2 trong hệ thống thực tế và để có thể đưa ra kết luận về tính hiệu quả của môi chất CO2. Nhóm đã kế thừa và tiếp tục công trình này với cải tiến thông qua đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm thiết bị ngưng tụ trong hệ thống điều hoà không khí dùng môi chất lạnh CO2 ”.2 Tình hình nghiên cứu 1.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Bảng 1: Tính chất cơ bản của R744 (CO2) so với các môi chất khác Môi chất R744 R22 R134a R410A Tính chất ODP/GWP 0/1 0,05/1700 0/1300 0/1900 Tính dễ cháy/độc hại N/N N/N N/N N/N Khối lượng phân tử (kg/kmol) 44 86,5 102 72,6 Áp suất tới hạn (MPa) 7,38 4,97 4,07 4,79 Nhiệt độ tới hạn (oC) 30,98 96 101,1 70,2 Công suất làm lạnh 22545 4356 2868 6763 Trong số các môi chất lạnh có nguồn gốc tự nhiên, CO2 (R744) là một trong số ít chất không độc hại và không bắt lửa và có thể thải ra môi trường mà không cần phải thu hồi từ bất kỳ thiết bị thải nào. CO2 có GWP rất thấp (tức là 1) so với các chất làm lạnh thương mại khác. Hơn nữa, CO2 không phải chịu trách nhiệm pháp lý vì nó có tiềm năng làm suy giảm tầng ôzôn (ODP) bằng không.

Sự phong phú của CO2 trong môi trường (0,04% không khí trong khí quyển) làm cho nó tiết kiệm chi phí. Về mặt hóa học, CO2 là một khí trơ và theo các tiêu chuẩn an toàn ASHRAE 15 & 34 và ISO 5149, CO2 là một chất làm lạnh an toàn. Do đó, có rất ít lo ngại về rò rỉ. Vào 1990, các nghiên cứu do Giáo sư Lorentzen [1] (Lorentzen và Pettersen, 1993, Lorentzen, 1994, Lorentzen, 1995) thực hiện và việc loại bỏ dần các chất làm lạnh làm suy giảm tầng ozon theo Nghị định Montreal đã thúc đẩy sự quan tâm mới đối với R744.

Ban đầu, các nhà nghiên cứu chủ yếu chú ý đến các đơn vị điều hòa không khí di động (Lorentzen và Pettersen, 1993, Lorentzen, 1994) và bơm nhiệt (Lorentzen, 1994, Lorentzen, 1995, Nekså và cộng sự, 1998). Mặt khác, các ứng dụng đầu tiên chủ yếu được cộng đồng khoa học chào đón bằng sự hoài nghi. Mặc dù vậy, sự lan rộng đáng kể của CO2 trong các hệ thống điều hòa không khí cũng như là bơm nhiệt, cũng như sự thay đổi dần dần từ cấu hình làm lạnh tăng cường R744 gián tiếp sang siêu tới hạn trong các ứng dụng 2 trong các hệ thống lớn đã diễn ra sau đó. Thành công ban đầu, sự chú ý mới đến chất làm lạnh như vậy đã được Person (2005) vô cùng hứng thú.

Việc tái khám phá R744 như chất làm lạnh duy nhất cho ngành bán lẻ thực phẩm cũng diễn ra như một hệ quả của việc bắt đầu Quy định về khí F của EU 517/2014 (Ủy ban Châu Âu, 2014). R744 sẽ đóng vị thế quan trọng ở các hệ thống lớn nhỏ để đạt được mục tiêu này, vì các ứng dụng này có đóng góp trực tiếp đáng kể vào hiện tượng nóng lên toàn cầu. Liu và cộng sự [2] đã tiến hành nghiên cứu cải thiện hiệu suất của máy điều hòa không khí CO2 dạng siêu tới hạn với đầu phun có thể điều chỉnh trong các điều kiện hoạt động và tần số máy nén thay đổi. Nghiên cứu đã đánh giá ảnh hưởng của hình dạng đầu phun, điều kiện vận hành, và tần số máy nén đến hiệu suất của hệ thống điều hòa không khí CO2 với thiết bị giãn nở đầu phun.

Thí nghiệm đã chứng tỏ rằng hệ số hiệu suất (COP) của hệ thống có tiềm năng tăng lên đáng kể khi sử dụng đầu phun thay thế cho van giãn nở thông thường. Hiệu suất tăng rõ rệt hơn khi nhiệt độ ngoài trời tăng (COP tăng đến 36%), tần số máy nén giảm (COP tăng đến 147% so với chu kỳ thông thường ở tần số máy nén 50 Hz), và khi đường kính của họng vòi phun động cơ giảm (COP tăng đến 60%). Bên cạnh đó, COP đạt giá trị cao nhất khi khoảng cách giữa đầu ra của vòi phun động lực và đầu vào của phần trộn bằng ba lần đường kính của phần trộn. Trong bài báo phân tích chu trình lạnh của môi chất CO2 dựa vào kết quả của thực nghiệm, Andrey Rozhentsev và cộng sự [3] đã nghiên cứu vấn đề này.

Kết quả nghiên cứu đã chỉ rõ ảnh hưởng của sự quá nhiệt đối với hiệu suất (COP) là không đáng kể trong hệ thống làm lạnh sử dụng loại máy nén nửa kín. Tuy nhiên, về hiệu suất của máy nén lại có ảnh hưởng rõ rệt đến COP của hệ thống. Thiết kế của bộ trao đổi nhiệt là rất quan trọng, vì không phải bộ trao đổi nhiệt có kích thước càng lớn thì COP của hệ thống càng cao. Việc loại bỏ dần hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) đang được tiến hành ở giai đoạn hiện tại.

Mặc dù các chất làm lạnh mới như hydrofluorocarbons (HFC) đã và đang được nghiên cứu, phát triển để thương mại hóa việc sử dụng trong đời sống, những ảnh hưởng này của chúng đối với môi trường và sức khỏe con người là không bền vững. Điều này đã dẫn đến một giải pháp tổng thể bằng cách sử dụng các chất tự nhiên làm môi chất lạnh. CO2 có đủ các tính chất phù hợp với giải pháp trên. Chất làm lạnh CO2 không chỉ là một chất tự nhiên mà còn có tác động đáng kể trong lịch sử với vai trò là chất làm lạnh.

Một số 3 lợi thế nổi bật của việc sử dụng CO2 làm chất làm lạnh đã được nghiên cứu và phát triển bởi một số nhà nghiên cứu. Konstantinos Tsamos và cộng sự [4] đã tiến hành việc nghiên cứu và so sánh các kiểu hệ thống lạnh sử dụng môi chất CO2 với các hạng mục bao gồm hiệu suất làm mát, tác động môi trường, điện năng tiêu thụ từ các nước sử dụng các hệ thống này ở châu Âu. Để giảm thiểu sự biến đổi khí hậu và lượng khí thải carbon là những mục tiêu chính về môi trường trong vài năm qua đối với ngành bán lẻ thực phẩm. Hệ thống làm lạnh siêu thị là một trong những hệ thống tiêu thụ và thải ra nhiều chất làm lạnh có GWP cao nhất.

Vì vậy, các vấn đề về môi trường đang được quan tâm mạnh mẽ nhằm để thay thế các môi chất không bền vững bằng môi chất có tính bền vững và có nguồn gốc thiên nhiên. Lượng khí thải trực tiếp là từ rò rỉ chất làm lạnh có thể phát sinh từ việc nạp, vận hành bình thường và sửa chữa hoặc thu hồi chất làm lạnh từ hệ thống. Hệ thống đường ống rộng lớn, số lượng lớn các mối nối ống và bảo trì kém làm tăng khả năng thất thoát chất làm lạnh. Lượng khí thải gián tiếp phát sinh từ việc tạo ra điện được sử dụng nhằm cung cấp năng lượng cho các hệ thống nén hơi.

CO2 đã nổi lên như một chất làm lạnh tự nhiên đáng tin cậy để thay thế HFC trong các loại hình kinh doanh thực phẩm bán lẻ. Nó không cháy và không độc hại, có chỉ số ODP = 0 và GWP = 1. Bên cạnh các đặc tính môi trường tuyệt vời, CO2 có các đặc tính nhiệt vật lý thích hợp cho làm lạnh. CO2 là môi chất làm lạnh áp suất cao và tùy thuộc vào môi trường, hệ thống có thể hoạt động ở chế độ siêu tới hạn hoặc dưới tới hạn nếu công nghệ chế tạo vật liệu cho phép.

Cecchinato và cộng sự [5] đã tiến hành việc nghiên cứu và phân tích nhiệt động lực học của các chu trình CO2 siêu tới hạn và đánh giá trực quan về mặt hiệu quả năng lượng của các chu trình so với chu trình cơ bản cũng như ứng dụng trong thực tế. Như kỳ vọng, các chu trình phức tạp (Hai van tiết lưu, Hai máy nén ở cả hai phiên bản Bình tách hơi và Chu trình phân tách) đã mang đến những sự cải thiện lớn, đặc biệt là đối với điều kiện vận hành khắc nhiệt nhất (nhiệt độ bay hơi thấp nhất là -30°C và nhiệt độ bên ngoải trời cao nhất là 35°C). Cả hai chu trình tăng 70% hiệu suất năng lượng so với giải pháp đơn giản nhất (Chu trình cơ bản: Một van tiết lưu, Một máy nén). Việc sử dụng hai máy nén để giới hạn nhiệt độ tại đầu ra của máy nén trong các điều kiện như vậy là bắt buộc.

Còn đối với trường hợp điều kiện ít khắc nhiệt hơn, ví dụ ở nhiệt độ vận hành +4/+30°C, thì các 4 Chu trình hai van tiết lưu, hai máy nén, chu trình phân tách; Chu trình hai van tiết lưu, hai máy nén, bình tách hơi cải thiện tăng 16% hiệu suất năng lượng so với chu trình cơ bản. Cùng điều kiện đó thì Chu trình hai van tiết lưu, máy nén phụ tăng 12% hiệu suất năng lượng so với chu trình cơ bản.