Nghiên cứu thực nghiệm về năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí CO2 tại HCMUTE

Tài liệu nghiên cứu Hcmute nghiên cứu thực nghiệm xác định năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí co2, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Nguyễn Thế Thiện
• 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: Năng Suất Lạnh Của Hệ Thống Điều Hòa Không Khí CO2: Nghiên Cứu Thực Nghiệm Tại HCMUTE
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Tổng hợp các nghiên cứu liên quan
• 1.3. Mục tiêu của đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Giới hạn đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cơ sở thực nghiệm
• 2.2. Cơ sở truyền nhiệt
• 2.3. Trao đổi nhiệt đối lưu
• 2.4. Trao đổi nhiệt bức xạ
• 2.5. Giới thiệu chung về môi chất lạnh CO2
• 2.6. Tính chất vật lý
• 2.7. Ưu, nhược điểm của CO2. Ứng dụng của CO2 trong công nghiệp lạnh
• 2.8. Công thức tính toán liên quan
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM
• 3.1. Thiết kế mô hình và hệ thống thực nghiệm
• 3.1.1. Thiết kế mô hình
• 3.1.2. Hệ thống thực nghiệm
• 3.2. Các thiết bị trong thực nghiệm
• 3.2.1. Thiết bị ngưng tụ kiểu ngập. Dàn bay hơi kênh mini
• 3.2.2. Đồng hồ hiển thị áp suất
• 3.2.3. Đồng hồ đo nhiệt độ
• 3.2.4. Thiết bị đo lưu lượng
• 3.2.5. Cảm biến áp suất
• 4. CHƯƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Quá trình thực nghiệm
• 4.1.1. Chuẩn bị thực nghiệm
• 4.1.2. Tiến hành thực nghiệm
• 4.1.3. Kết thúc thực nghiệm
• 4.2. Tính toán thực nghiệm. Thông số thực nghiệm thu được
• 4.2.1. Quy trình tính toán
• 4.2.2. Tính toán chu trình
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu Hệ thống Điều hòa Không khí CO2 tại HCMUTE

Nghiên cứu này tập trung vào hệ thống điều hòa không khí CO2, cụ thể là đánh giá năng suất lạnh của hệ thống này thông qua nghiên cứu thực nghiệm tại HCMUTE (Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh). Đây là một đề tài có tính thời sự cao, hướng đến việc ứng dụng công nghệ làm lạnh bằng CO2, một chất làm lạnh thân thiện với môi trường, góp phần giảm thiểu hiệu ứng nhà kính và bảo vệ môi trường. Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện nhằm xác định các thông số nhiệt động của hệ thống, từ đó đánh giá hiệu suất hệ thống điều hòa CO2 và tìm ra các yếu tố ảnh hưởng năng suất lạnh CO2. Việc lựa chọn CO2 làm chất làm lạnh dựa trên ưu điểm về tính an toàn môi trường, tuy nhiên cũng cần xem xét các thách thức kỹ thuật liên quan đến áp suất làm việc cao.

1.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định năng suất lạnh CO2 của hệ thống điều hòa không khí sử dụng CO2 làm môi chất lạnh. Nghiên cứu bao gồm việc thiết lập mô hình thực nghiệm, thu thập dữ liệu về các thông số vận hành, bao gồm áp suất, nhiệt độ, lưu lượng. Dữ liệu này được sử dụng để tính toán năng suất lạnh và hiệu suất hệ thống điều hòa CO2. Phân tích năng suất lạnh sẽ tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ môi trường, áp suất hoạt động, và thiết kế hệ thống. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho việc đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng của công nghệ làm lạnh bằng CO2 tại Việt Nam. Ứng dụng CO2 trong điều hòa không khí còn cần được nghiên cứu thêm để tối ưu hiệu suất và giảm chi phí. Nghiên cứu năng suất lạnh này góp phần vào sự phát triển của công nghệ làm lạnh CO2 bền vững.

1.2 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Phần lý thuyết bao gồm nghiên cứu tổng quan về các công trình nghiên cứu trước đây về làm lạnh bằng CO2, cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt, nhiệt động lực học của hệ thống điều hòa không khí CO2. Phần thực nghiệm bao gồm việc thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống điều hòa không khí CO2, tiến hành các thí nghiệm, thu thập và xử lý dữ liệu. Thí nghiệm điều hòa không khí được thực hiện trong điều kiện môi trường thực tế tại phòng thí nghiệm HCMUTE. Thiết kế mô hình của hệ thống rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của kết quả. Phân tích năng suất lạnh được thực hiện bằng các phương pháp thống kê và so sánh với các kết quả nghiên cứu trước đây. Vận hành điều hòa không khí CO2 được thực hiện theo đúng quy trình để đảm bảo kết quả thu được đáng tin cậy.

II. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

Phần này trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm về năng suất lạnh CO2. Nghiên cứu đã tiến hành một loạt các thí nghiệm trên hệ thống điều hòa không khí CO2 được thiết kế và lắp đặt tại HCMUTE. Các dữ liệu về năng suất lạnh và các thông số khác như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng được thu thập và xử lý. Kết quả cho thấy hiệu suất hệ thống điều hòa CO2 chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. So sánh hiệu suất làm lạnh với các hệ thống sử dụng môi chất lạnh khác cũng được thực hiện. An toàn môi trường lạnh CO2 là một ưu điểm đáng kể so với các môi chất lạnh truyền thống. Rò rỉ nhiệt điều hòa CO2 được kiểm soát chặt chẽ trong quá trình thí nghiệm. Bảo trì điều hòa CO2 cũng là một phần quan trọng cần được lưu ý.

2.1 Phân tích dữ liệu thực nghiệm

Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ các cảm biến áp suất, nhiệt độ, lưu lượng. Dữ liệu này được xử lý và phân tích để đánh giá năng suất lạnh CO2. Các đồ thị và bảng biểu được sử dụng để minh họa kết quả. Phân tích năng suất lạnh cho thấy sự ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ môi trường, áp suất hoạt động và lưu lượng môi chất lạnh. Yếu tố ảnh hưởng năng suất lạnh CO2 được xác định rõ ràng thông qua phân tích hồi quy. Mối quan hệ giữa các thông số được thiết lập thông qua các mô hình toán học. Tối ưu hóa hệ thống điều hòa CO2 có thể được thực hiện dựa trên phân tích này. Chi phí điều hòa CO2 cũng cần được xem xét trong quá trình tối ưu hóa. Nghiên cứu khoa học HCMUTE đã cung cấp nền tảng lý thuyết và thực nghiệm cho nghiên cứu này.

2.2 So sánh với các nghiên cứu khác

Kết quả nghiên cứu được so sánh với các kết quả nghiên cứu trước đây về hệ thống điều hòa không khí CO2. Việc so sánh này giúp đánh giá tính chính xác và độ tin cậy của kết quả nghiên cứu. So sánh hiệu suất làm lạnh cho thấy sự khác biệt giữa các hệ thống điều hòa không khí sử dụng các loại môi chất lạnh khác nhau. Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng CO2 làm môi chất lạnh được làm rõ hơn. Kết quả nghiên cứu HCMUTE đóng góp vào kho tàng kiến thức về công nghệ làm lạnh bằng CO2. Xuất bản nghiên cứu HCMUTE sẽ giúp lan tỏa kết quả nghiên cứu đến cộng đồng khoa học. Báo cáo khoa học điều hòa không khí tổng hợp các kết quả nghiên cứu một cách chi tiết.

III. Kết luận và đề xuất

Nghiên cứu đã xác định được năng suất lạnh CO2 của hệ thống điều hòa không khí CO2 tại HCMUTE. Kết quả nghiên cứu cho thấy tiềm năng của việc sử dụng CO2 làm môi chất lạnh thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, còn một số hạn chế cần được giải quyết để tăng hiệu suất và giảm chi phí. Tiết kiệm năng lượng điều hòa CO2 là một trong những mục tiêu quan trọng cần hướng tới. Thân thiện môi trường điều hòa CO2 là một yếu tố quyết định sự thành công của công nghệ này. Công trình nghiên cứu HCMUTE đã mang lại nhiều giá trị khoa học và thực tiễn.

3.1 Kết luận chính

Nghiên cứu đã đạt được mục tiêu đề ra. Năng suất lạnh CO2 đã được xác định một cách chính xác. Các yếu tố ảnh hưởng năng suất lạnh CO2 đã được làm rõ. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Nghiên cứu này đóng góp vào sự phát triển của công nghệ làm lạnh CO2 tại Việt Nam. Nghiên cứu khoa học sinh viên HCMUTE đã đạt được kết quả khả quan. Công bố nghiên cứu HCMUTE sẽ thu hút sự quan tâm của cộng đồng khoa học.

3.2 Đề xuất cho nghiên cứu tiếp theo

Để hoàn thiện hơn nữa công nghệ làm lạnh bằng CO2, cần nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống điều hòa CO2. Cần nghiên cứu các giải pháp để giảm chi phí và tăng hiệu quả của hệ thống. Cần nghiên cứu các phương pháp tối ưu hóa thiết kế hệ thống để nâng cao năng suất lạnh CO2. Vận hành điều hòa CO2 cần được cải tiến để đảm bảo hiệu quả cao nhất. Bảo trì điều hòa CO2 cần được nghiên cứu để kéo dài tuổi thọ của hệ thống. Nghiên cứu ứng dụng CO2 trong điều hòa không khí cần được mở rộng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và sự gia tăng lượng khí CO2 trong khí quyển, việc tìm kiếm các giải pháp làm lạnh thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng trở thành ưu tiên hàng đầu. Theo ước tính, lượng CO2 trong không khí hiện đạt khoảng 380 ppm, gây ra hiệu ứng nhà kính và làm nóng lên toàn cầu. Hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất lạnh CO2 (R744) được xem là một trong những giải pháp tiềm năng nhờ tính thân thiện với môi trường, không phá hủy tầng ozone và có chỉ số làm nóng toàn cầu (GWP) thấp. Tuy nhiên, CO2 có áp suất làm việc cao và hiệu suất năng lượng chưa tối ưu, đặc biệt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới như tại TP. Hồ Chí Minh.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu thực nghiệm xác định năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất CO2, với mục tiêu cụ thể là xác định các thông số nhiệt động học và sự thay đổi năng suất lạnh theo thời gian. Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Truyền nhiệt – Xưởng nhiệt, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian từ tháng 3 đến tháng 6 năm 2020. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiểu biết về hiệu suất của hệ thống điều hòa CO2 trong điều kiện thực tế mà còn có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp làm lạnh tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình truyền nhiệt, nhiệt động học và chu trình lạnh nén hơi. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

• Định luật truyền nhiệt: bao gồm dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt, giúp phân tích sự trao đổi nhiệt trong hệ thống điều hòa không khí. Đặc biệt, truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức được xem xét trong thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi và dàn bay hơi kênh mini.

• Chu trình lạnh nén hơi với môi chất CO2: nghiên cứu các trạng thái nhiệt động lực học của môi chất CO2 trong chu trình, bao gồm quá trình nén đoạn nhiệt, ngưng tụ, tiết lưu đẳng entanpy và bay hơi. Các khái niệm chính gồm áp suất tới hạn (73,7 bar), nhiệt độ tới hạn (31,1°C), trạng thái siêu tới hạn, và hệ số hiệu quả năng lượng COP.

Các khái niệm chuyên ngành như công suất lạnh (Q0), công nén (N), lưu lượng khối lượng (G), và các điểm nút nhiệt động lực học trong chu trình được sử dụng để phân tích và tính toán hiệu suất hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp với tính toán lý thuyết và mô phỏng. Nguồn dữ liệu chính là các số liệu đo đạc thực tế từ hệ thống điều hòa không khí CO2 tại phòng thí nghiệm, bao gồm:

• Cỡ mẫu: Hệ thống thực nghiệm với dàn bay hơi kênh mini có công suất lạnh khoảng 4 kW, sử dụng thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi giải nhiệt bằng nước và không khí.

• Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn thiết bị và cảm biến đo lường hiện đại như cảm biến nhiệt độ DS-1, cảm biến áp suất Sensys M5256, đồng hồ đo lưu lượng Turbine Flow Meter DGTT-015S để đảm bảo độ chính xác.

• Phương pháp phân tích: Tính toán các thông số nhiệt động học dựa trên dữ liệu thực nghiệm, xây dựng đồ thị p-h, xác định các điểm nút của chu trình, tính toán công suất lạnh, công nén và hệ số COP theo thời gian. So sánh kết quả thực nghiệm với các nghiên cứu lý thuyết và các điều kiện vận hành khác nhau.

• Timeline nghiên cứu: Thực nghiệm được tiến hành từ tháng 3 đến tháng 6 năm 2020, với ghi nhận số liệu định kỳ và phân tích chi tiết các trạng thái vận hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến năng suất lạnh và COP: Trong khoảng thời gian từ 13h45 đến 15h30 ngày 31/5/2020, nhiệt độ môi trường giảm từ 34,5°C xuống 32,5°C, tương ứng năng suất lạnh tăng từ 5,17 kW lên 5,67 kW (tăng 9,7%) và hệ số hiệu quả năng lượng COP tăng từ 5,437 lên 5,768 (tăng 6,1%). Trung bình mỗi 15 phút, COP tăng 0,047 và năng suất lạnh tăng 0,071 kW.

2. Hiệu quả của thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi: Hệ thống sử dụng thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước và không khí cho thấy hệ số hiệu quả năng lượng và năng suất lạnh cao hơn so với dàn làm mát giải nhiệt bằng gió, khẳng định tính ưu việt của giải pháp giải nhiệt kết hợp trong điều kiện khí hậu nhiệt đới.

3. Đặc tính nhiệt động lực học của môi chất CO2: Áp suất hút và áp suất đẩy giảm nhẹ theo sự giảm nhiệt độ môi trường, trong khi nhiệt độ môi chất ra khỏi dàn lạnh và nhiệt độ gió ra dàn lạnh cũng giảm, cho thấy sự ổn định và hiệu quả của chu trình lạnh CO2 trong điều kiện vận hành thực tế.

4. Độ chính xác của thiết bị đo và tính toán: Việc sử dụng đồng hồ đo áp suất, cảm biến nhiệt độ và lưu lượng hiện đại giúp thu thập dữ liệu chính xác, hỗ trợ xây dựng đồ thị p-h và bảng điểm nút nhiệt động lực học, từ đó tính toán công suất lạnh và COP một cách tin cậy.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất CO2 có khả năng vận hành hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ môi trường từ 32,5°C đến 34,5°C, phù hợp với khí hậu TP. Hồ Chí Minh. Sự tăng năng suất lạnh và COP khi nhiệt độ môi trường giảm là do giảm áp suất ngưng tụ và tăng hiệu quả trao đổi nhiệt tại thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này tương đồng với các báo cáo về hiệu suất của hệ thống CO2 sử dụng thiết bị ngưng tụ giải nhiệt nước, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng CO2 trong điều hòa không khí tại các vùng khí hậu nhiệt đới. Việc sử dụng thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi giúp giảm tổn thất nhiệt và tăng hiệu quả làm lạnh, góp phần giảm tiêu thụ năng lượng và phát thải khí nhà kính.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ p-h, đồ thị thay đổi nhiệt độ môi trường, COP và năng suất lạnh theo thời gian, giúp trực quan hóa mối quan hệ giữa các biến vận hành và hiệu suất hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa thiết kế thiết bị ngưng tụ: Khuyến nghị sử dụng thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi giải nhiệt bằng nước kết hợp không khí để nâng cao hiệu suất làm lạnh, giảm áp suất ngưng tụ và tăng COP. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất thiết bị lạnh; Thời gian: 1-2 năm.

2. Điều chỉnh vận hành hệ thống theo điều kiện môi trường: Áp dụng điều khiển biến tần cho quạt và bơm nhằm điều chỉnh lưu lượng gió và nước làm mát phù hợp với nhiệt độ môi trường, tối ưu hóa năng suất lạnh và tiết kiệm năng lượng. Chủ thể thực hiện: kỹ sư vận hành; Thời gian: ngay trong quá trình vận hành.

3. Nâng cao công tác kiểm định và bảo trì thiết bị: Do áp suất làm việc cao của môi chất CO2, cần thường xuyên kiểm tra an toàn, bảo trì máy nén và các thiết bị để đảm bảo vận hành ổn định và an toàn. Chủ thể thực hiện: bộ phận bảo trì; Thời gian: định kỳ hàng tháng/quý.

4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng CO2 trong các hệ thống điều hòa quy mô lớn: Khuyến khích nghiên cứu và thử nghiệm mở rộng hệ thống CO2 cho các tòa nhà thương mại và công nghiệp nhằm đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học; Thời gian: 3-5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt và điện lạnh: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm chi tiết về môi chất CO2, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các hệ thống làm lạnh thân thiện môi trường.

2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điều hòa không khí: Giúp hiểu rõ đặc tính vận hành, tối ưu hóa thiết kế và điều khiển hệ thống sử dụng CO2, nâng cao hiệu suất và an toàn.

3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng, môi trường: Cung cấp thông tin khoa học về lợi ích và hạn chế của môi chất CO2 trong điều hòa không khí, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển bền vững.

4. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị lạnh: Tham khảo để cải tiến sản phẩm, áp dụng công nghệ mới, đáp ứng yêu cầu tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Môi chất CO2 có ưu điểm gì so với các môi chất lạnh truyền thống?
   CO2 có chỉ số phá hủy tầng ozone bằng 0 và GWP thấp, không độc hại, không bắt lửa, có sẵn và giá thành thấp. Ngoài ra, CO2 có năng suất lạnh riêng cao và khả năng tương thích tốt với dầu bôi trơn.

2. Áp suất làm việc cao của CO2 có ảnh hưởng gì đến thiết kế hệ thống?
   Áp suất tới hạn của CO2 là 73,7 bar, cao hơn nhiều so với các môi chất truyền thống, đòi hỏi thiết bị và đường ống phải chịu được áp lực cao, tăng chi phí và yêu cầu kiểm định an toàn nghiêm ngặt.

3. Hệ số hiệu quả năng lượng (COP) của hệ thống CO2 như thế nào?
   Theo thực nghiệm, COP của hệ thống điều hòa CO2 có thể đạt khoảng 5,4 đến 5,8 trong điều kiện nhiệt độ môi trường từ 32,5°C đến 34,5°C, tương đương hoặc cao hơn so với các hệ thống sử dụng môi chất truyền thống.

4. Thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi có vai trò gì trong hệ thống?
   Thiết bị này sử dụng nước và không khí để giải nhiệt môi chất, giúp giảm nhiệt độ và áp suất ngưng tụ, từ đó nâng cao hiệu suất làm lạnh và giảm tiêu thụ năng lượng.

5. Làm thế nào để tối ưu hóa vận hành hệ thống điều hòa CO2?
   Sử dụng biến tần để điều chỉnh tốc độ quạt và bơm, điều chỉnh van tiết lưu phù hợp với điều kiện môi trường, thường xuyên kiểm tra và bảo trì thiết bị để đảm bảo vận hành ổn định và an toàn.

Kết luận

• Nghiên cứu thực nghiệm đã xác định được các thông số nhiệt động học và sự thay đổi năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất CO2 trong điều kiện thực tế tại TP. Hồ Chí Minh.
• Kết quả cho thấy năng suất lạnh và hệ số hiệu quả năng lượng COP tăng khi nhiệt độ môi trường giảm, với COP đạt tới 5,768 và năng suất lạnh 5,67 kW trong điều kiện thử nghiệm.
• Thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi giải nhiệt bằng nước và không khí giúp nâng cao hiệu suất hệ thống so với giải nhiệt bằng gió.
• Nghiên cứu góp phần làm rõ tiềm năng ứng dụng CO2 trong hệ thống điều hòa không khí thân thiện môi trường, phù hợp với khí hậu nhiệt đới.
• Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa thiết kế, mở rộng quy mô nghiên cứu và ứng dụng thực tế, đồng thời phát triển các giải pháp điều khiển thông minh nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn vận hành.

Hành động ngay hôm nay: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu này để phát triển các hệ thống điều hòa không khí CO2 hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, theo luật môi trường và các chính sách nghiêm ngặt của Quốc tế và Việt Nam đã cách mạng hóa lĩnh vực điện lạnh, đặc biệt liên quan đến các môi chất làm lạnh an toàn cho môi trường. Một trong những vấn đề quan trọng đặt ra đó là làm sao để giảm thiểu tối đa lượng khí thải gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu cũng như làm suy giảm tầng ozone. Dựa vào các nghiên cứu, các nhà khoa học đã xác định rằng chỉ có môi chất làm lạnh tự nhiên được xem là lành tính với môi trường.

Trong khi các chất lượng môi chất lạnh khác được xem xét, đặc biệt là những yêu cầu chất lượng liên quan đến độc tính và tính dễ cháy, carbon dioxide được xem là tốt nhất trong số các chất làm lạnh tự nhiên. Tuy nhiên, chất làm lạnh dựa trên carbon dioxide không phải là không có nhược điểm. Mặc dù việc sử dụng R744 - một loại khí làm lạnh dựa trên carbon dioxide - đã giải quyết được ảnh hưởng trực tiếp của khí thải đến môi trường, các nghiên cứu để điều tra các tác động gián tiếp của các hệ thống này là cần thiết. Nếu như trước đây, môi chất lạnh thường sử dụng trong các hệ thống lạnh là HFC, CFC hay HCFC thì dần dần, những môi chất lạnh này đã được thay thế bởi những môi chất mới, đảm bảo về các tính chất nhiệt động, hóa học, vật lý, rẻ tiền , dễ chế tạo và đặc biệt phải không gây ô nhiễm môi trường.

Nắm bắt được tình hình và đặc điểm nghiên cứu của loại môi chất lạnh CO2, với chỉ số phá hủy tầng ozone hoàn, chỉ số làm nóng lên toàn cầu khá thấp. Tuy nhiên, CO2 với vai trò là chất làm lạnh từ lâu đã phải chịu chi phí lắp đặt và vận hành cao, cũng như hiệu suất năng lượng kém, đặc biệt là ở vùng khí hậu ấm áp. Sự khác biệt lớn nhất đặt ra của loại môi chất lạnh này là áp suất cao và nhiệt độ thấp, do đó cần phải có một thiết đặc biệt và phù hợp đối với loại môi chất này. Từ những vấn đề trên có thể thấy rằng, mặc dù CO2 là một loại môi chất khá thân thiện với con người nhưng cũng vấp phải những hạn chế nhất định.

Do đó, quá trình thực nghiệm xác định năng suất làm lạnh của CO2 để đưa ra một môi chất lạnh gần gũi với môi trường thực sự cần thiết trong tình hình hiện nay. Đó chính là lý do nhóm quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2.” SV2020-01 8 Luan van NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN GVHD:PGS.TS Đặng Thành Trung 1. Tổng hợp các nghiên cứu liên quan Như đã trình bày trên, vấn đề về môi chất lạnh CO2 không chỉ tại Việt Nam mà còn nhiều nơi trên thế giới đã và đang không ngừng nỗ lực nghiên cứu về nó. Với hi vọng tạo ra một môi chất lạnh hiệu quả và tiết kiệm năng lược một cách tối ưu.

Dưới đây là một số tổng hợp về các công trình liên quan. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Lee [1] cùng các cộng sự đã nghiên cứu về Hệ thống điều hòa không khí CO2 sử dụng Van tiết lưu Ejector. Kết quả thí nghiệm cho thấy hệ thống điều hòa không khí CO2 sử dụng Ejector được so sánh với nhiệt độ ngoài trời và tần số biến tần khác nhau. Các chỉ số COP của hệ thống điều hòa không khí sử dụng Ejector và hệ thống thông thường đã được tính toán và so sánh dựa trên áp suất và nhiệt độ của các thí nghiệm.

Công suất lạnh và COP trong hệ thống điều hòa không khí sử dụng Ejector cao hơn so với công suất trong hệ thống thông thường với tỷ số hút lớn hơn 0,76. Ngoài ra, trong các điều kiện thử nghiệm khác, hiệu suất cao hơn so với hệ thống thông thường theo tỷ lệ nhất định. Liu [2] cùng các các cộng sự đã thiết lập mô hình phân tích toàn diện cho máy điều hòa không khí CO2 dùng Ejector tiết lưu có thể điều khiển được 3 tấn lạnh đã được phát triển và xác nhận. Các nghiên cứu tham số của hệ thống CO2 Ejector tiết lưu cho thấy hệ số làm lạnh (COP) và công suất lạnh đạt mức tối đa khi đường kính Ejector là 2,8 mm; hệ số lạnh COP và công suất lạnh tối đa xảy ra khi đường kính của phần hòa trộn có diện tích không đổi trong khoảng từ 4,1 đến 4,2 mm; COP và công suất lạnh bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ không khí ngoài trời.

Tại 1 hình dạng ejector cụ thể và nhiệt độ ngoài trời là 37,8°C, hệ thống CO2 sử dụng Ejector làm tiết lưu theo lý thuyết có COP và công suất làm lạnh vượt trội hơn hệ thống thông thường lần lượt khoảng 30,7% và 32,1%. Việc chọn kích thước van tiết lưu: chọn đường kính cổ phun, đường kính phần hòa trộn diện tích không đổi, là rất quan trọng để cải thiện hiệu suất của hệ thống điều hòa không khí CO2 Ecjector tiết lưu. Rozhentsev [3] cùng các các cộng sự đã tiến hành đưa ra sự phân tích chu trình của hệ thống điều hòa không khí CO2. Nó cho thấy rằng ảnh hưởng của quá nhiệt bên trong đến hệ số hiệu suất làm lạnh (COP) là rất nhỏ đối với một hệ thống sử dụng máy nén nửa kín.

Tuy nhiên, hiệu suất máy nén có ảnh hưởng đáng kể đến hệ thống COP. Thiết kế SV2020-01 9 Luan van NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN GVHD:PGS.TS Đặng Thành Trung của bộ thu hồi nhiệt trong một hệ thống là rất quan trọng, vì COP hệ thống có thể giảm khi kích thước của bộ thu hồi nhiệt lớn hơn một kích thước nhất định. Tao cùng cộng sự [4] vận hành thử nghiệm cho hệ thống điều hòa không khí dân dụng CO2 với bộ trao đổi nhiệt bên trong đã được xây dựng và các tác động của điều kiện làm việc lên hệ số hiệu suất của hệ thống (COP) đã được nghiên cứu. Kết quả cho thấy các thông số đầu vào của thiết bị bay hơi ít ảnh hưởng đến COP; phạm vi tăng của COP thấp hơn 6% và 4% ở các vùng nhiệt độ và nhiệt độ khí vào của thiết bị bay hơi tương ứng.

Các thông số đầu vào của bộ làm mát khí và nhiệt độ bay hơi của hệ thống là những yếu tố ảnh hưởng chính đến COP. COP giảm khoảng 20% khi nhiệt độ khí vào của bộ làm mát khí tăng từ 32,5°C lên 37°C, tăng khoảng 27% khi tốc độ khí vào của bộ làm mát khí tăng từ 0,68 m/s lên 1,8 m/s và tăng khoảng 11% khi nhiệt độ bay hơi tăng từ 8,7°C lên 13,9°C. Sau đó, dựa trên dữ liệu thực nghiệm, tổn thất điều tiết và ảnh hưởng của nó đối với COP đã được phân tích. Mặc dù bộ trao đổi nhiệt bên trong có thể làm giảm tổn thất điều tiết của chu kỳ chuyển hóa, nhưng vẫn có sự mất công suất làm mát 5% trong quá trình tiết lưu, khiến cho hệ thống mất khoảng 20%.

Hiệu suất làm mát của bộ làm mát khí ảnh hưởng trực tiếp đến tổn thất điều tiết, hiệu suất làm mát càng tốt thì tổn thất điều tiết càng nhỏ. Và tổn thất điều tiết giảm khi tăng nhiệt độ bay hơi. Azzouzi cùng các cộng sự [5] đã nghiên cứu về những ảnh hưởng của quá trình quá lạnh ở dàn ngưng tụ giải nhiệt bằng không khí đối lưu tự nhiên cánh tản nhiệt bằng thép đến hệ thống điều hòa không khí, nghiên cứu này đưa ra những tham số của chu trình quá lạnh đối với hệ số COP trong hệ thống làm lạnh khi sử dụng môi chất R134a, R12 và R600a tại các tỷ số áp suất khác nhau. Nghiên cứu này đã đóng góp cho sự phát triển của một phương pháp phân tích mới, làm cho nó có thể dự đoán tác động của sự quá lạnh cùng với bề mặt ngưng tụ phụ.

Hệ số COP tăng cùng với độ quá lạnh cho cả ba chất làm lạnh. Khi khoảng nhiệt độ quá lạnh từ 0°C đến 8°C, R600a cho thấy hệ số COP tốt hơn và ít sử dụng bề mặt ngưng tụ phụ hơn so với R134a. Vì thế, để tạo ra một nguồn lạnh có giá trị kinh tế cao chúng ta cần cân nhắc để thay thế môi chất R134a bởi R600a. Kim cùng các cộng sự [6] nghiên cứu đến ảnh hưởng của các thông số vận hành đến hiệu suất làm lạnh có thể được áp dụng cho hệ thống điều hòa không khí ô tô CO2 chuyển tới hạn.

Các điều kiện thử nghiệm của các hiệu suất thực nghiệm đối với hệ thống CO2 và các thành phần như làm lạnh gas và thiết bị bay hơi được đưa ra để so sánh với hiệu SV2020-01 10 Luan van NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN GVHD:PGS.TS Đặng Thành Trung suất của từng loại ở các điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã trình bày kết quả thử nghiệm cho các đặc tính hiệu suất của hệ thống điều hòa không khí ô tô CO2 với các điều kiện vận hành khác nhau như áp suất khí làm mát khí khác nhau, tốc độ máy nén và nhiệt độ không khí trước / tốc độ dòng chảy qua thiết bị bay hơi và làm mát không khí. Kết quả thí nghiệm cho thấy công suất làm mát là hơn 4,9 kW và hệ số hiệu quả năng lượng (COP) là hơn 2,4, ở mỗi áp suất đầu vào làm mát không khí trong điều kiện không tải. Ngoài ra, công suất làm mát là khoảng 7,5 kW và COP là khoảng 1,7 ở áp suất tối ưu của đầu vào làm mát khí trong điều kiện lái xe khi nhiệt độ khí vào của bộ làm mát khí và thiết bị bay hơi lần lượt là 45°C và 35°C.

Do đó, các tác giả đã đưa ra kết luận rằng hệ thống điều hòa không khí ô tô sử dụng môi chất CO2 có hiệu suất tốt. Nghiên cứu này cũng đề cập đến việc phát triển thuật toán điều khiển áp suất cao tối ưu cho chu trình CO2 để đạt được COP tối đa. Hazarakia cùng các cộng sự [7] đã thực hiện điều tra hiệu suất của hệ thống dựa trên quá trình chuyển tới hạn của R744 cho hệ thống điều hòa không khí. Trong nghiên cứu này, sản phẩm mô phỏng số chi tiết của hệ thống dựa trên R744 được phát triển.

Một thiết bị nghiên cứu thực nghiệm của một hệ thống điều hòa không khí dựa trên R744 được thiết kế và phát triển để nghiên cứu thực nghiệm thực sự tốt và được xác định mô hình lý thuyết.