CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Vấn đề về sử dụng năng lượng hiệu quả đang được hơn tâm hơn bao giờ hết, lý do là khi sử dụng hiệu quả sẽ tiết kiệm được năng lượng dẫn đến giảm đi lượng tiêu hao nhiên liệu đáng kể và đồng thời cũng giúp giảm những tác động xấu đến môi trường. Với riêng lĩnh vực này không thể không kể đến các hệ thống lò hơi, mạng nhiệt, các động cơ đốt trong… đặc biệt là các hệ thống lạnh công nghiệp và dân dụng – một trong những hệ thống có tiềm năng tiết kiệm và cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng rất cao. Hiện nay, đối với các hệ thống điều hòa không khí hầu như đều sử dụng các loại môi chất CFC, HFC hoặc HCFC, những loại môi chất này đã gây ra việc suy giảm tầng ozone và sự biến đổi khí hậu trên toàn cầu.
Với nhu cầu giảm thiểu những tác động xấu đến môi trường và hành tinh xanh thì môi chất CO2 hay R744 là một trong những ứng cử viên hàng đầu cho việc thay thế những môi chất đang được sử dụng rộng rãi hiện nay. Cùng với chỉ số GWP = 1 và ODP = 0 đã cho thấy sử dụng môi chất CO2 làm môi chất lạnh là một trong những xu hướng thay thế các môi chất cũ trong tương lai. Mặc dù khi sử dụng môi chất CO2 làm môi chất lạnh cho hệ thống lạnh sẽ đem lại nhiều sự tích cực cho môi trường nhưng bên cạnh đó phải có thiết bị phù hợp để sử dụng cho loại môi chất này và một trong những thiết bị chính của hệ thống lạnh đó là thiết bị ngưng tụ. Nhận thấy được điều này nên nhóm đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo và thực nghiệm thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống sử dụng môi chất CO2 cho hệ thống điều hòa không khí” nhằm mục đích chế tạo thiết bị ngưng tụ sử dụng cho môi chất CO2.
Sản phẩm là giải pháp cho việc đưa môi chất CO2 hoạt động ở trạng thái dưới tới hạn giống như các môi chất thông thường. Với đề tài này, nhóm báo cáo về phương pháp nghiên cứu, tính toán, quy trình chế tạo thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống dùng môi chất CO2 với các vật liệu và dụng cụ đảm bảo an toàn cho cả con người và môi trường. Tổng quan về tình hình nghiên cứu 1. Nghiên cứu ngoài nước K.
Tsamos cùng những công sự đã nghiên cứu bộ làm mát cho CO2 bằng không khí với hai thiết kế khác nhau (2 hàng ống và 3 hàng ống) khi được lắp đặt riêng biệt và tích vào hệ thống lạnh. Nghiên cứu đã chỉ ra mô hình thực nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt đã dự đoán chính xác thông số tính toán lý thuyết với sai số chỉ khoàng 7% và điều kiện vận hành ở áp suất đẩy là 76 bar, lưu lượng môi chất là 0.004 kg/s, nhiệt độ không khí vào là 27℃, công suất quạt đạt 60% tương ứng với 2400 l/s của tổng công suất. Kết quả chỉ ra rằng thiết kế bộ làm mát 3 hàng ống đạt hiệu suất cao hơn thiết kế 2 hàng ống ở điều kiện vận hành và giá trị COP cao nhất là xấp xỉ 2. Trong một nghiên cứu khác về hiệu quả năng lượng của hệ thống điều hòa CO2 hoạt động ở điều kiện siêu tới hạn, R.
Cabello và cộng sự đã thực nghiệm và đưa ra áp suất giải nhiệt bằng khí tối ưu phụ thuộc vào nhiệt độ đầu ra của môi chất lạnh giải nhiệt gió cũng như nhiệt độ bay hơi. Bên cạnh đó thì cũng có nhiều nghiên cứu về hệ thống lạnh ghép tầng với thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống với môi chất CO2 ở tầng thấp và một môi chất khác ở tầng cao hoặc ngược laị. Đơn cử như Lee và cộng sự đã nghiên cứu phân tích về nhiệt động lực học của thiết bị ngưng tụ ở nhiệt độ ngưng tụ được tối ưu trong hệ thống lạnh ghép tầng CO2/NH3. Với các thông số thiết kế thì kết quả cho thấy nhiệt độ ngưng tụ và COP sẽ phụ thuộc vào TC, TE và △T.
Nhiệt độ ngưng tụ tăng theo TC, TE và △T còn COP sẽ tăng theo TE ngược lại sẽ giảm khi △T và TC tăng lên. Ngoài ra, Ma và công sự cũng đã nghiên cứu về hệ thống lạnh ghép tầng CO2/ NH3 nhưng sử dụng thiết bị ngưng tụ dạng màng. Kết quả nghiên cứu các thông số nhiệt động cho thấy hệ số COP đạt tối đa thì tỷ lệ phân bố của độ dẫn nhiệt sẽ bị chi phối bởi hệ số hiệu suất của thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi. Tiếp đó, khi Shao và Zhang đã nghiên cứu về quá trình biến đổi nhiệt động của chu trình CO2 ở dưới tới hạn và siêu tới hạn.
Kết quả cho thấy chu trình CO2 dưới tới hạn chuyển đổi đặc tính tốt hơn chu trình CO2 trên tới hạn. Nghiên cứu trong nước Trong những năm qua, khi nhận thấy được tiềm năng CO2 sẽ trở thành xu hướng của môi chất lạnh trong tương lai, ở Việt Nam đã bắt đầu có khá nhiều những công trình nghiên cứu về môi chất lạnh CO2 cũng như những thiết bị liên quan trong hệ thống điều hòa không khí. Trong một nghiên cứu về hệ thống điều hòa không khí CO2 với bộ trao đổi nhiệt bằng đồng, PGS. TS Đặng Thành Trung và những đồng nghiệp đã thực nghiệm hệ thống ra chỉ ra rằng máy nén truyền thống không phù hợp để sử dụng ở áp suất cao do COP rất thấp khoảng 0.5 và chỉ có máy nén khí CO2 mới đáp ứng được vì có COP cao khoảng 3.07 tương đương với hệ thống điều hòa không khí hiện tại.
Ngoài ra, Giang cũng những cộng sự của mình đã nghiên cứu thực nghiệm hệ thống máy lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO2 ở tầng thấp và R32 ở tầng cao với thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống đã chỉ ra rằng với thông số thiết kế thì ở áp suất nén của CO2 là 41 bar thì nhiệt độ phòng là -28℃ tốt hơn nhiệt độ yêu cầu đặt ra là -26℃. Cũng trong một nghiên cứu tương tự nhưng môi chất lạnh ở tầng cao là R134a, Đôn cùng những cộng sự cũng đã nghiên cứu và thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng và chỉ ra được những ưu và nhược điểm của hệ thống. Tính cấp thiết của đề tài Với việc đã cấm cũng như ban hành lộ trình hạn chế sử dụng các loại môi chất truyền thống cho hệ thống lạnh như R12, R22, R410a…đã thôi thúc phải tìm kiếm một môi chất lạnh có thể thay thế được cho các loại môi chất trên và còn phải bảo vệ môi trường. Với các chỉ số GWP và ODP ở mức rất thấp thì môi chất CO2 hay R744 là một trong những ứng cử viên tiềm năng, hứa hẹn trở thành một môi chất lạnh trong tương lai thân thiện và bảo vệ môi trường.
Mặc dù với những lợi thế và ưu điểm vượt trội so với những loại môi chất truyền thống nhưng CO2 cũng có nhược điểm nhất định đó là hoạt động ở dãy áp suất cao trên tới hạn ở nhiệt độ môi trường, điều này dẫn đến việc những thiết bị hiện tại dùng 11 cho môi chất cũ đã không còn phù hợp đối với môi chất CO2 đặc biệt là thiết bị ngưng tụ - một trong những thiết bị chính của hệ thống lạnh. Mặc dù là một môi chất tiềm năng, nhưng môi chất lạnh CO2 vẫn còn chưa phổ biến nên việc nghiên cứu chế tạo thiết bị ngưng tụ phù hợp sử dụng cho loại môi chất này vẫn còn hạn chế. Các thiết bị ngưng tụ công suất nhỏ sử dụng trong hệ thống lạnh dân dụng và công nghiệp hiện nay đa phần đều sử dụng phương pháp giải nhiệt ngưng tụ bằng không khí, tuy nhiên ở nhiệt độ môi trường môi chất CO2 sẽ hoạt động ở áp suất cao trên điểm tới hạn và để đưa môi chất này về hoạt động ở dãy áp suất dưới điểm tới hạn thì phải tăng hiệu quả trao đổi nhiệt bằng cách sử dụng chất lỏng để giải nhiệt ngưng tụ cho CO2, chất lỏng đó cụ thể là nước. Để nước có thể giải nhiệt ngưng tụ cho môi chất CO2 thì CO2 sẽ phải lưu động bên trong ống và nước sẽ đi bên ngoài ống.
Nắm bắt được hướng phát triển và nhu cầu thực tế về thiết bị ngưng tụ sử dụng cho môi chất CO2 đề tài mà nhóm đang hướng đến đó là: Nghiên cứu chế tạo và thực nghiệm thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống sử dụng môi chất CO2 cho hệ thống điều hòa không khí. Chính vì vậy nhóm nghiên cứu đã thực hiện đề tài này với mục tiêu là giải quyết được phần nào những vẫn đề còn tồn đọng. Và sản phẩm trở thành tiền đề cho việc nghiên cứu chế tạo thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống sử dụng cho môi chất CO2 với những cải tiến về công nghệ, quy trình chế tạo để đạt được những hiệu quả tốt hơn, tiết kiệm chi phí và năng lượng hơn trong tương lai. Mục tiêu đề tài Từ kích thước cuộn ống đồng của thiết bị ngưng tụ truyền thống, đưa ra kích thước phù hợp cho thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống.
Bố trí các thiết bị chính: máy nén, cuộn ống đồng, bơm nước giải nhiệt, van tiết lưu một cách gọn gàng, phù hợp. Tính toán, chế tạo được thiết bị ngưng tụ giải nhiệt cho môi chất CO2 khi vận hành ở áp suất dưới điểm tới hạn. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Một trong bốn thiết bị chính, quan trọng nhất của một hệ thống lạnh dân dụng đó là thiết bị ngưng tụ. Vì thế nhóm đã chế tạo và thực nghiệm thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống sử dụng môi chất lạnh CO2 cho hệ thống lạnh dân dụng đặt tại thành phố Hồ Chí Minh.
Phương pháp thực hiện Phương pháp tổng quan: tìm hiểu và tổng hợp các công trình nghiên cứu có liên quan trước đó, nắm bắt nhu cầu và lộ trình thay thế các môi chất lạnh cũ gây hại cho môi trường để đưa ra hướng nghiên cứu của đề tài và xác định mục tiêu đạt được sau nghiên cứu. Đồng thời từ cơ sở đó xác định được đối tượng cũng như phạm vi nghiên cứu. Từ phương pháp tổng quan triển khai cụ thể thành cơ sở sở lý thuyết và từ lý thuyết xây dựng các bản vẽ thiết kê, quy trình chế tạo và mô hình thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: sử dụng các kiến thức chuyên môn, các dữ liệu về công thức để tính toán thiết kế thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống.