CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài. Trong giai đoạn phát triển kinh kế và công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường là vấn đề cấp thiết của xã hội được đông đảo mọi người quan tâm, đặc biệt là những nhà nghiên cứu khoa học. Trong đó, ngành công nghiệp nhiệt lạnh là một trong những ngành tiêu tốn năng lượng nhiều nhất với các hệ thống nóng, lạnh như điều hòa không khí của các tòa nhà, khu chung cư, trường học, trung tâm thương mại, cũng như trong các nhà máy, xí nghiệp phục vụ nhu cầu nóng lạnh sâu như đông lạnh hải sản, trữ đông, sản xuất bánh kẹo, sấy gỗ, cà phê,.
Sử dụng những thiết thị trao đổi nhiệt từ loại nhỏ gọn treo tường đến những thiết bị trao đổi nhiệt lớn trong các nhà máy nhiệt điện. Môi chất lạnh hay còn gọi là gas lạnh là chất tuần hoàn trong hệ thống lạnh làm nhiệm vụ hấp thụ nhiệt của buồng lạnh nhờ bốc hơi ở áp suất thấp nhiệt độ thấp và thải nhiệt ra môi trường ở áp suất cao và nhiệt độ cao. Môi chất lạnh lý tưởng là môi chất lạnh không gây nguy hiểm cho con người, không độc hại môi trường, không cháy nộ, dễ dàng phát hiện khi rò rỉ,. Hiện nay, các nhà khoa học vẫn chưa thể tìm ra được ga lạnh lý tưởng, chúng ta chỉ có thể tìm được ga lạnh, có ưu điểm và cả nhược điểm.
Bởi vậy khi chọn một ga lạnh cho một ứng dụng cụ thể, cần lựa chọn sao cho ga lạnh phát huy được những ưu điểm và hạn chế những nhược điểm của nó. Và đó cũng là tiền đề để ga lạnh CO2 ra đời. Ga lạnh CO2 là ga lạnh không mùi, có sẵn trong từ nhiên nên thân thiện với con người. Về vấn đề thân thiện môi trường ta có thể lấy GWP của khí CO2 tác động trong thời hạn 100 năm được lấy làm mốc để so sánh, GWP CO2 = 1 thì của các HFC cũng đạt tới hàng nghìn như HFC134a là 1.
Nắm bắt được xu hướng đó các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng môi chất lạnh mới theo nhiều hướng khác nhau. Trong đó, một hướng nghiên cứu mới là sử dụng thiết bị làm mát kênh mini và sử dụng CO2 làm môi chất lạnh để thay thế cho các loại môi chất lạnh họ Flourocarbon hiện nay. Vệc sử dụng thiết bị làm mát ống mini đã thu nhỏ được kích thước thiết bị mà vẫn có hiệu quả tốt, mật độ truyền nhiệt cao, chi phí chế tạo, lắp đặt hợp lý. Đồng thời, khi CO2 được sử dụng phổ biến trong hệ thống lạnh thay cho các GVHD: PGS.
Đặng Thành Trung 2 Luan van Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng lưu lượng gió đến năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí CO2 dùng dàn lạnh kênh mini môi chất lạnh hiện nay thì lượng Flourocarbon sẽ giảm và lượng CO2 bên ngoài môi trường sẽ giảm đi. Nhằm góp phần cho những giải pháp này, nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng lưu lượng gió đến năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí CO2 dùng dàn lạnh kênh mini để đáp ứng xu thế hiện nay. Mục đích chọn đề tài. Tìm ra được ảnh hưởng lưu lượng gió đến năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí CO2 dùng dàn lạnh kênh mini.
Tình hình nghiên cứu ngoài nước. Liên quan tới đề tài thì đã có nhiều công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về lĩnh vực môi chất CO2 cũng như dàn lạnh kênh mini. Các quá trình nghiên cứu, thực nghiệm đã đóng góp tích cực cho khoa học với hi vọng nghiên cứu ra một môi chất thân thiện với con người và môi trường cũng như hiệu suất làm việc tốt nhất. Dưới đây là một số bài báo liên quan nhóm đã tìm hiểu để làm cơ sở thực hiện đề tài.
Tsamos cùng các cộng sự [1] đã nghiên cứu mô hình toán học được phát triển dựa trên nền tảng giải quyết các phương trình kỹ thuật (EES), và nó đã được xác nhận với các kết quả thử nghiệm thu được từ thiết bị thực nghiệm tại trung tâm quốc gia. Mô hình này được nghiên cứu về việc thiết kế hai dàn làm mát khí khác nhau. Chúng được lắp đặt riêng biệt và được tích hợp với mô hình hệ thống làm lạnh CO2 để nghiên cứu ảnh hưởng của thiết kế làm mát khí vào hệ thống COP. Các thông số như áp suất trung gian, nhiệt độ bay hơi và công suất lạnh được xác định từ các thử nghiệm và sau đó được chèn vào mô hình EES.
Một số kết quả thu được: Mô hình hợp lệ để dự đoán hiệu suất của bộ làm mát khí khi hệ thống đang hoạt động trong chế độ siêu tới hạn và hiệu suất của hệ thống làm lạnh bị giảm. Mô hình có thể dự đoán các dữ liệu nhiệt độ của môi chất lạnh, sự giảm áp suất qua bộ làm mát khí, không khí và hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt thải. Mô hình hệ thống làm lạnh tích hợp đã được phê chuẩn có thể được sử dụng để tính toán COP của hệ thống. Sai số trung bình giữa các giá trị thử nghiệm và mô phỏng được tìm thấy là 7%.
Kết quả cho thấy áp suất xả của bộ làm mát khí được kiểm soát ở một giá trị tối ưu dựa trên nhiệt độ môi chất lạnh thoát ra khỏi bộ làm mát khí. Do độ chênh lệch nhiệt độ của cuộn dây A thấp hơn nên dẫn đến áp suất xả thấp hơn và hiệu suất hệ thống cao hơn. Có thể giảm sự chênh lệch nhiệt độ bằng cách tăng tốc độ GVHD: PGS. Đặng Thành Trung 3 Luan van Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng lưu lượng gió đến năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí CO2 dùng dàn lạnh kênh mini quạt gió chính.
Mặt khác, tăng tốc độ quạt, mức tiêu thụ điện năng của hệ thống cũng tăng lên. Do đó, các thiết lập điều khiển tối ưu phải được xác định. Trong bài báo này, hiệu suất cao hơn của hệ thống được tìm thấy khi cuộn ống A được sử dụng và tốc độ quạt chính được điều khiển ở mức 60% tổng công suất tương ứng với 2400 l/s. Hệ thống chạy với tốc độ quạt là 100% (4000 l/s) thì với cuộn ống A thì hệ số COP trung bình giảm 7.53% và với cuộn B là 7.62% so với khi hệ thống đang chạy với tốc độ quạt là 60% (2400 l/s) cho cả hai trường hợp.
Jeong cùng các đồng nghiệp [2] đã nghiên cứu ứng dụng điều hòa không khí vào giải nhiệt thiết bị công nghệ thông tin và truyền thông (ICT). Các cơ sở ICT đã phát triển nhanh chóng. Đồng thời, nhiệt sinh ra trên một đơn vị diện tích của một trung tâm dữ liệu, nơi các máy chủ và bộ định tuyến được tập trung trong một cơ sở ICT là một vấn đề cực kỳ nghiêm trọng. Do đó, nghiên cứu này nhằm mục đích nghiên cứu hiệu suất và đặc điểm của hệ thống trao đổi nhiệt làm mát tại chỗ của máy chủ, sử dụng CO2 như là một chất làm việc để ngăn chặn sự xuất hiện của các điểm nóng và giảm điện năng tiêu thụ của một hệ thống điều hòa không khí thông thường.
Hệ thống điều hòa không khí này được lắp đặt tại trung tâm dữ liệu với những cuộc thí nghiệm và mô phỏng. Kết quả là: Đối với tốc độ dòng truyền nhiệt, các kết quả thử nghiệm và mô phỏng nằm trong phạm vi sai số ± 5% ở trạng thái hai pha. Tương tự, giảm áp suất nằm trong phạm vi sai số ± 25%. Hơn nữa, chúng tôi sẽ có thể cải thiện độ chính xác của mô phỏng xem xét hình dạng của ống thực tế.
Ở điều kiện tốc độ dòng chảy CO2 và tốc độ không khí thấp thì hiệu suất truyển nhiệt sẽ đạt yêu cầu đã đề ra. Ngoài ra, còn có rất ít sự khác biệt về kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm trong vùng quá nhiệt, cần được nghiên cứu trong tương lai. Gulloa [3] cùng các cộng sự đã nghiên cứu hiệu suất của các thiết bị làm lạnh sử dụng môi chất CO2 đã được nghiên cứu cho một cửa hàng thực phầm bán lẽ ở các vùng Châu Âu với khí hậu đa dạng. Kết quả cho thấy, so sánh giữa môi chất R404A được sử dụng rộng rãi hiện nay với môi chất R774 đang trong quá trình nghiên cứu thì các kết quả cho thấy so với hệ thống sử dụng môi chất R404A thì hệ thống lạnh sử dụng môi chất lạnh R744 trên cùng một công suất sẽ tiết kiệm năng lượng hơn từ 3% đến 37,1% trên khắp châu Âu.
Bài báo này còn cho ta thấy giới hạn hiệu suất năng lượng thường gặp bởi các hệ thống làm lạnh R744 qua mức tăng nhiệt độ ngoài trời biến mất GVHD: PGS. Đặng Thành Trung 4 Luan van Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng lưu lượng gió đến năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí CO2 dùng dàn lạnh kênh mini với sự trợ giúp của máy phun. Cuối cùng, cuộc điều tra còn chứng mình là sử dụng các máy phun song song cho hệ thống R744 sẽ đem lại hiệu suất cao hơn và thiên thiện với ngành thực phẩm bán lẽ ở Châu Âu.Ngoài ra, nhóm còn nghiên cứu về sự kết hợp của máy nén song song và các thiết bị bay hơi cho hệ thống HFC (hydrofluorocarbon) , kết quả cho thấy lượng điện tiêu thụ từ 22,7% ở Oslo đến 12,4% tại Athens. Đánh giá này khẳng định rằng việc áp dụng phương pháp kết nối song song máy phun với đầu phun hơi và đầu phun chất lỏng là một phương án thích hợp cho các cấu hình "tích hợp hoàn toàn" hoạt động trong các siêu thị ở vùng lạnh từ năm 2008 đến năm 2016, các giải pháp CO2 thuần túy có sự gia tăng hiệu suất năng lượng lên tới 25% và giảm chi phí thiết bị xuống 30% trong thời gian đó.
Với những hiệu quả về mặt năng lượng trong bất kỳ môi trường khí hậu ở Châu Âu, môi chất R774 đã chứng mình về những tiềm năng của bản thân trong ngành công nghiệp lạnh. Bansal [4] đã thực nghiệm thành công môi chất lạnh Carbon dioxide (CO2) xem như là một trong những môi chất làm lạnh tiềm năng để sử dụng cho các hệ thống làm lạnh sâu trong ngành thực phẩm và lạnh công nghiệp và hoặc hoạt động giải trí. Hiện nay, CO2 đã chứng tỏ được sự nổi trội về tính thương mại khi CO2 có một số thiết kế khá phổ biến như là hệ thống lạnh ghép tầng, hệ thống lạnh siêu tới hạn.