MỞ ĐẦU Hiện nay với tốc độ phát triển ngày càng tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các vấn đề môi trường và tiết kiệm năng lượng trở thành mối quan tâm hàng đầu để nâng cao chất lượng cuộc sống của con người. Một trong những cách tiết kiệm năng lượng, góp phần bảo vệ môi trường đó là việc cải tiến hình dáng, kích thước, nâng cao hiệu suất truyền nhiệt, tiết kiệm không gian, làm giảm lượng môi chất lạnh trong hệ thống tức là giảm tác nhân gây hiệu ứng nhà kính, phá hủy tầng ôzôn, tiết kiệm được chi phí sản xuất. Bắt nguồn từ việc sử dụng bình trung gian ống rỗng hay bình chứa hạ áp trong hệ thống lạnh hai cấp nén đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng hiệu quả từ rất lâu. Lỏng trung áp từ bình trung gian cấp lỏng qua van tiết lưu vào bình chứa hạ áp hay lỏng từ bình chứa hạ áp cấp lỏng cho thiết bị bay hơi sẽ làm tăng hiệu quả làm lạnh.
Chính vì lý do này, việc đưa một thiết bị có chức năng tương tự vào trong những hệ thống lạnh một cấp nhỏ, đặc biệt là trong lĩnh vực điều hòa không khí dân dụng. Có thể làm giảm bớt chiều dài ống đồng trong dàn lạnh khiến cho kích thước dàn lạnh giảm xuống. Hướng nghiên cứu này có thể ứng dụng rộng rãi nhằm đem lại hiệu quả kinh tế, giảm kích thước dàn lạnh, tiết kiệm năng lượng và góp phần bảo vệ môi trường. Vì vậy muốn giải quyết bài toán tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả đặc biệt là trong lĩnh vực điều hòa không khí dân dụng ở nước ta thì cần phải được nghiên cứu và xây dựng giải pháp đánh giá đặc tính tiêu thụ năng lượng của các loại máy điều hòa không khí dân dụng sử dụng phổ biến trên thị trường Việt Nam.
Tình hình nghiên cứu ngoài nước Bắt nguồn từ việc sử dụng bình trung gian ống rỗng trong hệ thống lạnh 2 cấp nén đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng hiệu quả từ rất lâu. Sơ đồ nguyên lý được thể hiện ở Hình 1. Hệ thống lạnh 2 cấp có trích hơi trung gian, làm mát trung gian không hoàn toàn có 2 tiết lưu MNCA: Máy nén cao áp VTL1, VTL2: Van tiết lưu 1 và 2 MNTA: Máy nén thấp áp TBNT: Thiết bị ngưng tụ TBLM: Thiết bị làm mát TBBH: Thiết bị bay hơi BTG: Bình trung gian Hình 1.1 cho thấy sơ đồ của hệ thống lạnh 2 cấp có trích hơi trung gian và làm mát trung gian không hoàn toàn sử dụng 2 tiết lưu. Môi chất sau khi được nén tại cấp nén thấp áp sẽ được hơi bão hòa khô tại bình trung gian ống rỗng làm mát cho 2 cấp nén nhằm giảm công nén.
Đồng thời, bình trung gian còn chứa lỏng môi chất sau tiết lưu 1 để cấp dịch ổn định cho quá trình tiết lưu 2, tăng khả năng trao đổi nhiệt tại thiết bị bay hơi. Đồ thị LgP - h của hệ thống lạnh hai cấp có trích hơi trung gian, làm mát trung gian không hoàn toàn có hai tiết lưu Từ sơ đồ nguyên lý của hệ thống ở Hình 1.1, ta thể hiện trên đồ thị LpP-h của hệ thống để thấy được trạng thái môi chất cũng như các quá trình tuần hoàn của môi chất được thể hiện cụ thể ở Hình 1. Sau khi ra khỏi thiết bị ngưng tụ tại điểm số 6 (trạng thái lỏng sôi) được tiết lưu 1 giảm áp suất, giảm nhiệt độ xuống trạng thái 7 (trạng thái hơi bảo hòa ẩm lỏng – hơi) và tại đây lỏng hạ áp thì tiếp tục đi qua tiết lưu 2, còn hơi sẽ được đưa về điểm số 10 để làm mát giữa hai cấp nén cao áp và hạ áp. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị p - h cho hai trường hợp: không đi qua bộ tách hơi (a) và đi qua bộ tách hơi (b) [1] Hình 1.3 thể hiện sơ đồ nguyên lý và đồ thị LgP-h cho hai trường hợp: không đi qua bộ tách hơi (a) và đi qua bộ tách hơi (b).
Sau khi môi chất được giảm áp suất, giảm nhiệt độ tại van tiết lưu thì môi chất lỏng – hơi ở trường hợp (a) sẽ đi thẳng vào thiết bị bay hơi để trao đổi nhiệt, trong khi đó ở trường hợp (b) thì môi chất lỏng – hơi sẽ đi tới thiết bị tách để lỏng sẽ đi về thiết bị bay hơi còn hơi sẽ được tách ra và đi qua van bypass để trở về đầu hút máy nén trước khi máy nén hút về. Liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu này, Tuo và Hrnjak [1] đã trình bày nghiên cứu thực nghiệm về phân tách môi chất dạng hơi và lỏng trong bộ tách T tác động theo chiều dọc cho hệ thống nén hơi. R134a và R410A được chọn làm môi chất làm lạnh, lưu lượng khối lượng và chất lượng thay đổi từ 10 g/s đến 35 g/s và từ 10 % đến 25 % với dự định mô phỏng hoạt động trong các hệ thống điều hòa không khí với khả năng làm mát trong khoảng 1,5 - 6 kW. Một số kết luận nhóm nghiên cứu đã đưa ra: Hiệu suất tách chất lỏng phụ thuộc vào các điều kiện đầu vào và mẫu lưu lượng ngay phía trên đường ống nối.
Khi lưu lượng dạng sương tồn tại, chất lỏng chủ yếu bị cuốn theo các giọt nhỏ thông qua đường thoát phía trên. Hiệu quả tương đối cao và không bị ảnh hưởng với sự thay đổi của chất lượng đầu vào. Khi chế độ dòng chảy churn hình thành tại đường giao nhau, hiệu suất giảm đáng kể với sự gia tăng của tốc độ dòng chảy đi vào hoặc của chất lượng môi chất. Một tương quan thực nghiệm cho chuyển đổi dòng chảy churn như một chức năng của Fr và Xtt đã được đề xuất (Fr = 0,168 Xtt-0,67) dựa trên kết quả thực nghiệm cho hai chất làm lạnh và bộ tách T với hai tỷ lệ đường kính khác nhau.
Công trình nghiên cứu phân tách hơi trong bộ tách T (Hình 1.4) bằng một số lựa chọn thiết kế để tăng cường sự tách chất lỏng tiếp tục được mở rộng bởi Tuo và Hrnjak [2] có thể thấy rằng: Khi góc nghiêng tăng từ 0 lên 450, phân tách lỏng được tăng cường bởi vì thành phần xuống của vận tốc đầu vào, vận tốc tách chất lỏng và vận tốc bình thường thấp hơn làm giảm tác động của tia chất lỏng với tường thẳng đứng và do đó tạo ra các giọt thứ cấp cũng được thể hiện ở Hình 1. Đường kính lớn hơn của ống hút vào cải thiện hiệu quả phân tách, nhưng cải tiến bị hạn chế (trong vòng 5% ở điều kiện thực nghiệm). Đường giao nhau với đầu vào phẳng (hình chữ nhật) cho thấy hiệu suất vượt trội so với đầu vào hình tròn, cao hơn tới 8% so với ống tròn có kích thước tương tự và thậm chí cao hơn 6% so với đường tròn đôi lớn. Bộ tách hơi T được sử dụng trong hệ thống điều hòa không khí [2] Hình 1.
Nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiên tại đầu vào của bộ tách hơi [2] Bên cạnh đó Tuo và Hrnjak [3] đã cho thấy hiệu suất của một hệ thống điều hòa không khí di động hoạt động bình thường với R134a ở chế độ cho dòng môi chất lạnh sau khi qua tiết lưu đi trực tiếp vào dàn lạnh (không đi qua bộ tách hơi) có thể được cải thiện đáng kể khi chuyển sang chế độ bỏ qua dòng hơi môi chất (đi qua bộ tách hơi). Khi vận hành cùng tốc độ máy nén, hệ thống ở chế độ đi qua bộ tách hơi sẽ tạo ra khả năng làm mát từ 13 -18 %, COP cao hơn 4 -7 % so với chế độ không đi qua bộ tách hơi. Khi tốc độ máy nén đã được điều chỉnh để duy trì công suất làm mát như nhau, COP cải thiện 37 – 55 %. Hai lý do chính được xác định và thảo luận: việc phân phối chất làm lạnh được cải thiện và giảm áp suất chất làm lạnh.
Ngoài ra, nhóm tác giả [4] trình bày một đề xuất cho một dòng hơi đi ngược trong hệ thống điều hòa không khí loại bỏ hơi môi chất để cải thiện việc phân phối môi chất lạnh và giảm độ chênh áp suất trong thiết bị bay hơi vi kênh và do đó làm tăng hiệu quả của hệ thống. Giới thiệu về dòng hơi đi ngược được quan sát thấy trong thiết bị bay hơi kênh dòng chảy song song đã được trình bày trong các bài báo IJR trước đây của các tác giả. Một so sánh thực nghiệm của hệ thống điều hòa không khí với cách tiếp cận mới đối với hệ thống đi qua bộ tách hơi cho thấy rằng dòng hơi cung cấp tăng công suất làm lạnh 3 - 5 % khi vận hành ở các điều kiện kiểm tra giống nhau, trong khi cải thiện COP tối đa khoảng 10 - 12 % khi công suất được kết hợp bằng cách giảm tốc độ máy nén. Sự cải tiến so với hệ thống môi chất lạnh đi trực tiếp vào dàn lạnh cao hơn đáng kể.
Tiếp tục với dự án, nhóm tác giả [5] trình bày hiện tượng lưu lượng môi chất bị đảo ngược định kỳ và diễn ra mạnh mẻ được tìm thấy trong các thí nghiệm với thiết bị bay hơi vi kênh được sử dụng trong hệ thống điều hòa không khí R134a. Ba tác động tiềm ẩn của sự đảo ngược lưu lượng môi chất đối với hoạt động của thiết bị bay hơi được xác định: 1) sự phân bố phân bố lỏng trung bình; 2) giảm hệ số truyền nhiệt; 3) tăng độ chênh áp phía làm lạnh. Cuối cùng, để giảm thiểu tác động của dòng chảy ngược định kỳ, cần đưa ra một giải pháp: thông hơi và bỏ qua các luồng hơi tích luỹ trong phần đầu vào. [6] Hơi tích lũy bị mắc kẹt bên trong phần đầu vào được tiếp tục thông hơi qua các vi kênh.
Giao diện hơi lỏng ở đầu đầu vào được nâng lên trên tất cả các lối vào vi kênh, dẫn đến sự phân bố lỏng giữa các kênh. Nhiệt độ bề mặt bay hơi được đo bằng máy ảnh hồng ngoại dao động với biên độ giảm (ít hơn 1°C) so với tình trạng không có dòng hơi, cho thấy sự thay đổi nhiệt ổn định hơn và dòng chảy hai pha trong các vi kênh. Áp suất bay hơi giảm xuống khoảng 15% do việc loại bỏ lưu lượng hơi đảo ngược. So với tổng lưu lượng chất làm lạnh cung cấp cho thiết bị bay hơi, lưu lượng hơi đảo ngược trung bình ở mức 2-8% ở điều kiện thăm dò.