Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trước bối cảnh biến đổi khí hậu và yêu cầu cấp thiết về việc giảm phát thải khí nhà kính, ngành kỹ thuật lạnh và điều hòa không khí đang đối mặt với lộ trình cắt giảm, tiến tới loại bỏ hoàn toàn các loại môi chất lạnh truyền thống thuộc nhóm CFC, HCFC và HFC (như R12, R22, R410A) do có chỉ số làm nóng lên toàn cầu (GWP) và chỉ số suy giảm tầng ozone (ODP) cao. Môi chất tự nhiên $CO_2$ ($R744$) trở thành đối tượng thay thế tiềm năng nhờ các đặc tính thân thiện với môi trường ($GWP = 1$, $ODP = 0$), không độc hại, không bắt lửa và giá thành thấp.

Tuy nhiên, $CO_2$ có nhiệt độ tới hạn thấp ($31,1^\circ C$) và áp suất tới hạn cao ($73,9\text{ bar}$). Khi giải nhiệt bằng không khí ở điều kiện nhiệt độ môi trường nhiệt đới, hệ thống thường phải vận hành ở chu trình siêu tới hạn với áp suất rất cao. Để đưa môi chất $CO_2$ về vận hành ở chu trình dưới tới hạn (tương tự các môi chất thông thường), việc nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt tại thiết bị ngưng tụ bằng phương pháp giải nhiệt bằng nước là một giải pháp kỹ thuật cần thiết. Đồ án tập trung nghiên cứu, tính toán, chế tạo và thử nghiệm mô hình thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống giải nhiệt bằng nước dùng cho môi chất $CO_2$.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định theo 12 nội dung:

  1. Tìm hiểu, lựa chọn môi chất và kiểu thiết bị ngưng tụ.
  2. Chuẩn bị dụng cụ, vật liệu chế tạo thiết bị.
  3. Lựa chọn kích thước, chiều dài của ống đồng và ống nhựa cho thiết bị.
  4. Chọn quạt và bơm nước giải nhiệt.
  5. Chế tạo và bố trí chi tiết thiết bị ngưng tụ.
  6. Nạp môi chất lạnh $CO_2$ cho hệ thống.
  7. Vận hành hệ thống và thu thập dữ liệu.
  8. Tính toán chu trình $CO_2$ lý thuyết.
  9. Tính toán chu trình $CO_2$ thực nghiệm.
  10. Vẽ, dựng mô hình 3D thiết bị ngưng tụ và quạt giải nhiệt.
  11. Nghiên cứu và đưa ra quy trình chế tạo và kiểm tra.
  12. Viết báo cáo tổng kết đề tài.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống sử dụng môi chất $CO_2$ trong hệ thống điều hòa không khí.
  • Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống lạnh công suất nhỏ ứng dụng điều hòa không khí dân dụng, được thiết kế, gia công và thử nghiệm thực tế tại Xưởng Nhiệt, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu sử dụng nền tảng nhiệt động lực học chu trình máy lạnh một cấp nén hơi dưới tới hạn của môi chất $CO_2$, lý thuyết truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống (dòng chuyển động ngược chiều giữa môi chất lạnh trong ống trong và nước làm mát ở không gian hình xuyến ống ngoài).

Các mô hình, công thức và tiêu chuẩn tính toán chính bao gồm:

  • Phương trình cân bằng nhiệt và chu trình lạnh: Xác định năng suất lạnh riêng ($q_0$), công nén riêng ($l$), năng suất tỏa nhiệt riêng ($q_k$), lưu lượng môi chất tuần hoàn ($G_{CO_2}$), công suất nén hiệu dụng ($N_e$) và hệ số làm lạnh ($COP$).
  • Mô hình truyền nhiệt: Công thức tính hệ số truyền nhiệt qua vách trụ $k$; công thức tính hệ số tỏa nhiệt khi ngưng tụ màng $\alpha_{ng}$ của $CO_2$; tiêu chuẩn đồng dạng Nusselt ($Nu$), Reynolds ($Re$), Prandtl ($Pr$) để tính hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía nước $\alpha_{H_2O}$ và phía hơi quá nhiệt $CO_2$; hệ số hiệu chỉnh ảnh hưởng của độ cong ống xoắn $\varepsilon_R$; công thức phân chia diện tích quá nhiệt và ngưng tụ bão hòa theo Gregory Nellis và Sanford Klein.
  • Nguồn dữ liệu: Bảng đặc tính nhiệt vật lý của $R744$ (Thermophysical Properties of Refrigerants R744) và bảng thông số trạng thái bão hòa của nước theo nhiệt độ.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

  • Phương pháp tính toán lý thuyết: Thiết lập thông số chu trình tại điều kiện thiết kế, tính toán diện tích bề mặt truyền nhiệt và kích thước hình học của thiết bị.
  • Phương pháp thiết kế và chế tạo: Thiết kế bản vẽ 2D, mô hình 3D; xây dựng quy trình công nghệ gia công khung đỡ, uốn ống xoắn, hàn ghép nối ống đồng, lắp đặt cụm quạt - bơm giải nhiệt nước và chế tạo bình nạp $CO_2$ từ đá khô (CO2 rắn).
  • Phương pháp thực nghiệm: Lắp đặt hệ thống cảm biến nhiệt độ (nhiệt kế điện tử DS-1) và đồng hồ áp suất qua ống mao dẫn $1/8\text{ inch}$ tại các điểm nút chu trình; vận hành hệ thống, đo đạc và thu thập thông số động của áp suất, nhiệt độ theo thời gian.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống thực nghiệm được thiết kế và tích hợp hoàn chỉnh bao gồm các phân hệ chính sau:

                                            [Quạt giải nhiệt Sunhouse + 2 Bơm + Phao]
                                             (Lỏng cao áp)

1. Cấu tạo cụm thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống

  • Ống môi chất (ống trong): Sử dụng ống đồng có đường kính trong $d = 3,94\text{ mm}$, chiều dày vách $\delta = 0,41\text{ mm}$, hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 394\text{ W/mK}$. Môi chất $CO_2$ lưu động bên trong ống.
  • Ống nước giải nhiệt (ống ngoài): Sử dụng ống nhựa bọc ngoài ống đồng, tạo khoang hở hình xuyến để nước giải nhiệt lưu động cưỡng bức ngược chiều với dòng môi chất. Tại hai đầu ống nhựa được bố trí phụ kiện chữ T (tee) và đầu thu để dẫn đường nước vào và ra.
  • Kết cấu cuộn xoắn: Toàn bộ ống lồng ống được uốn thành 22 vòng xoắn liên tiếp với bán kính uốn $R = 8\text{ cm}$ (đường kính ngoài cuộn ống khoảng $15\text{ cm}$), chiều cao cuộn ống $h = 0,352\text{ m}$. Cuộn ống được bố trí bao quanh máy nén nhằm tiết kiệm không gian lắp đặt và hỗ trợ tản nhiệt cho thân máy nén.

2. Cụm thiết bị phụ trợ và hệ thống giải nhiệt nước

  • Máy nén: Sử dụng máy nén kiểu Piston thương hiệu Saden, động cơ 1 pha, công suất điện định mức $500\text{ W}$, đặt tại vị trí $3/4$ sát bên phải đáy khung.
  • Hệ thống cấp và giải nhiệt nước: Tích hợp quạt làm mát Sunhouse có thùng chứa nước; sử dụng 02 bơm nước mini (Bơm số 1 đặt chìm trong thùng quạt, Bơm số 2 đặt cạnh thiết bị ngưng tụ để tăng áp lực cấp nước); hệ thống cấp nước bổ sung liên tục qua van phao cơ tự động kết nối với bồn cấp.
  • Bình nạp môi chất $CO_2$ rắn: Chế tạo bình chứa chịu áp chuyên dụng để nạp môi chất bằng đá khô ($CO_2$ thể rắn, nhiệt độ thăng hoa $-78,5^\circ C$). Đá khô được nạp vào bình kín, nhận nhiệt môi trường để thăng hoa tăng áp suất thành thể khí và nạp vào hệ thống qua van nối.

3. Hệ thống đo lường và an toàn

  • Đo áp suất: Hàn các đoạn ống mao dẫn đồng kích thước $1/8\text{ inch}$ tại 4 vị trí (đầu hút máy nén, đầu đẩy máy nén, trước van tiết lưu, sau van tiết lưu) kết nối về 4 đồng hồ đo áp suất cơ học bố trí trên bảng điều khiển.
  • Đo nhiệt độ: Sử dụng các đầu dò nhiệt kế điện tử DS-1 gắn tại 6 vị trí: đường hút, đường đẩy, trước van tiết lưu, sau van tiết lưu, nước giải nhiệt vào thiết bị ngưng tụ và nước giải nhiệt ra khỏi thiết bị ngưng tụ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tổng quan về biến đổi khí hậu, các quy định cắt giảm môi chất làm suy giảm tầng ozone và tiềm năng của môi chất tự nhiên $CO_2$ ($R744$). Phân tích các công trình nghiên cứu ngoài nước (Tsamos và cộng sự về bộ làm mát khí $CO_2$ 2 hàng và 3 hàng ống; Cabello và cộng sự về chu trình siêu tới hạn; Lee, Ma, Shao, Zhang về hệ thống ghép tầng $CO_2/NH_3$) và trong nước (Đặng Thành Trung về hệ thống điều hòa không khí $CO_2$; Giang và Đôn về hệ thống ghép tầng $CO_2/R32$ và $CO_2/R134a$). Khẳng định tính cấp thiết của việc phát triển thiết bị ngưng tụ ống lồng ống giải nhiệt nước nhằm đưa $CO_2$ vận hành dưới áp suất tới hạn trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Xác định 12 nhiệm vụ, 9 sản phẩm và phương pháp nghiên cứu của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày chi tiết tính chất vật lý, giản đồ pha, quy trình công nghệ sản xuất đá khô và cơ chế thăng hoa của $CO_2$. Phân tích cấu tạo, nguyên lý làm việc của thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống. Thực hiện tính toán chu trình nhiệt động lý thuyết và thiết kế truyền nhiệt cho thiết bị ngưng tụ với công suất lạnh $Q_0 = 1,1\text{ kW}$.

Thông số thiết kế lý thuyết Giá trị Đơn vị
Nhiệt độ môi trường ($t_{mt}$) 36,0 $^\circ C$
Độ ẩm môi trường ($\varphi_N$) 56,0 $%$
Nhiệt độ phòng ($t_b$) 24,0 $^\circ C$
Nhiệt độ bay hơi ($t_0$) / Áp suất bay hơi ($p_0$) 4,0 / 38,7 $^\circ C$ / $\text{bar}$
Nhiệt độ ngưng tụ ($t_k$) / Áp suất ngưng tụ ($p_k$) 29,0 / 70,0 $^\circ C$ / $\text{bar}$
Độ quá lạnh ($\Delta t_{ql}$) / Độ quá nhiệt ($\Delta t_{qn}$) 1,0 / 12,0 $^\circ C$
Tỷ số nén ($\varepsilon = p_k / p_0$) 1,8 -
Năng suất lạnh riêng ($q_0$) / Năng suất nhiệt riêng ($q_k$) 162,0 / 189,9 $\text{kJ/kg}$
Công nén riêng ($l$) 25,8 $\text{kJ/kg}$
Lưu lượng môi chất tuần hoàn ($G_{CO_2}$) 0,0068 $\text{kg/s}$
Công suất nhiệt thiết bị ngưng tụ ($Q_k$) 1,29 $\text{kW}$
Lưu lượng nước giải nhiệt ($G_{nước}$) 0,026 $\text{kg/s}$
Hệ số truyền nhiệt tổng quát ($k$) 908,9 $\text{W/m}^2\text{K}$
Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit ($\Delta t_{ln}$) 5,09 $^\circ C$
Diện tích trao đổi nhiệt yêu cầu ($F$) 0,28 $\text{m}^2$
Số vòng ống xoắn ($N$) / Chiều dài ống ($L$) 22 / 11,06 vòng / $\text{m}$
Hệ số làm lạnh lý thuyết ($COP_{lt}$) 6,28 -

Chương 3: Chế tạo mô hình thực nghiệm

Trình bày bản vẽ thiết kế kết cấu khung máy, quy trình gia công cơ khí cắt và hàn thép vuông, thanh V lỗ, ty ren, cắt gò tấm ốp tôn dầu. Mô tả chi tiết kỹ thuật uốn cuộn ống đồng lồng trong ống nhựa trên dưỡng trụ tròn, kỹ thuật hàn ống đồng kết nối máy nén, van tiết lưu, các đầu cấp lỏng/hơi và trích áp suất. Thiết kế bình nạp đá khô chịu áp suất cao và quy trình nạp gas $CO_2$ thăng hoa vào hệ thống. Lắp ráp mạch điều khiển điện động cơ máy nén, hệ thống quạt Sunhouse, bơm cấp nước và thiết lập quy trình kiểm tra rò rỉ áp suất, quy trình khởi động và dừng hệ thống an toàn.

Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Mô tả quy trình vận hành thu thập dữ liệu nhiệt độ và áp suất tại các điểm nút chu trình thực nghiệm. Đánh giá sự biến thiên của nhiệt độ nước cấp vào, nhiệt độ môi chất $CO_2$ sau ngưng tụ, nhiệt độ môi trường và độ chênh lệch nhiệt độ giữa dòng nước và môi chất. Xác định các điểm nút trạng thái thực tế và tính toán các chỉ tiêu nhiệt động lực học của hệ thống trong điều kiện chạy thử nghiệm.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn diện các mục tiêu nghiên cứu và sản phẩm thực tế đã hoàn thành. Đánh giá hiệu quả làm việc của thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống trong việc duy trì chu trình dưới tới hạn cho $CO_2$. Đưa ra các khuyến nghị cải tiến công nghệ gia công, tối ưu hóa hệ thống tuần hoàn nước giải nhiệt và tự động hóa điều khiển cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật và thực nghiệm

  • Đã tính toán và chế tạo thành công thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống xoắn 22 vòng với chiều dài ống $11,06\text{ m}$, diện tích truyền nhiệt $0,28\text{ m}^2$, đáp ứng công suất giải nhiệt $1,29\text{ kW}$ cho hệ thống điều hòa không khí sử dụng $CO_2$.
  • Thiết kế kết cấu cuộn ống xoắn đường kính $15\text{ cm}$ quấn quanh máy nén Piston Saden $500\text{ W}$, tối ưu hóa không gian bên trong khung vỏ và hỗ trợ giải nhiệt cưỡng bức cho vỏ máy nén.
  • Thực nghiệm chứng minh khả năng duy trì áp suất ngưng tụ của hệ thống ở dải dưới tới hạn ($p_k \approx 70\text{ bar}$, nhiệt độ ngưng tụ $t_k = 29^\circ C$) khi sử dụng nước giải nhiệt từ cụm quạt Sunhouse kết hợp 2 bơm trung chuyển, tránh việc hệ thống bị đẩy lên dải áp suất siêu tới hạn khi nhiệt độ môi trường ngoài trời đạt $36^\circ C$.
  • Đưa ra giải pháp nạp môi chất $CO_2$ trực tiếp thông qua bình thăng hoa đá khô tự chế, giải quyết khó khăn trong việc tiếp cận bình nạp $CO_2$ lạnh chuyên dụng.

2. Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Cần bố trí hệ thống tuần hoàn nước giải nhiệt cưỡng bức với van phao cấp bù nước liên tục để đảm bảo nhiệt độ nước cấp vào dàn ngưng luôn duy trì ổn định dưới $26^\circ C$.
  • Tăng cường kiểm định độ kín và độ bền áp lực của các mối hàn ống đồng và các đầu nối chữ T ống nhựa do đặc thù $CO_2$ làm việc ở dải áp suất cao (áp suất hút $38,7\text{ bar}$, áp suất đẩy $70\text{ bar}$).

3. Đóng góp về mặt học thuật và thực tiễn

  • Cung cấp bộ số liệu tính toán truyền nhiệt chi tiết (hệ số tỏa nhiệt đối lưu màng ngưng $CO_2$, đối lưu nước, hệ số ống cong) cho thiết bị ngưng tụ ống lồng ống $CO_2$.
  • Hoàn thiện bộ bản vẽ thiết kế 2D/3D và quy trình công nghệ chế tạo thực tế, làm tài liệu tham khảo cho việc nghiên cứu và ứng dụng môi chất tự nhiên $R744$ trong các thiết bị nhiệt - lạnh cỡ nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Hệ thống làm việc ở mức áp suất rất cao so với các hệ thống điều hòa không khí thông thường, đòi hỏi nghiêm ngặt về độ bền cơ học và an toàn mối hàn.
    • Việc vệ sinh, bảo dưỡng cặn bẩn khoang nước bên trong ống nhựa của thiết bị ngưng tụ ống lồng ống gặp nhiều khó khăn trong quá trình sử dụng lâu dài.
    • Mô hình thực nghiệm phụ thuộc vào lượng nước cấp từ quạt giải nhiệt bay hơi, hiệu quả giải nhiệt bị ảnh hưởng trực tiếp bởi độ ẩm và nhiệt độ bầu ướt môi trường.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu tối ưu hóa lưu lượng và nhiệt độ dòng nước làm mát để nâng cao hệ số $COP$ thực nghiệm ở các điều kiện tải lạnh khác nhau.
    • Ứng dụng hệ thống thu thập dữ liệu tự động (Data Logger) và cảm biến điện tử độ chính xác cao để ghi nhận liên tục các thông số chu trình.
    • Thử nghiệm các phương án chống bám cặn cho khoang nước của thiết bị trao đổi nhiệt.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

  • Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Nhiệt - Điện lạnh tham khảo phương pháp tính toán nhiệt động chu trình môi chất $CO_2$ ($R744$) và phương pháp tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống.
  • Giảng viên và cán bộ kỹ thuật tại các xưởng thực hành làm tài liệu hướng dẫn gia công, uốn ống kim loại, tích hợp cụm thiết bị làm mát bằng nước và quy trình nạp môi chất từ đá khô.
  • Các nhóm nghiên cứu phát triển hệ thống điều hòa không khí và bơm nhiệt sử dụng môi chất lạnh tự nhiên thân thiện với môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao đề tài lựa chọn giải nhiệt bằng nước cho thiết bị ngưng tụ $CO_2$ thay vì giải nhiệt bằng không khí?
Môi chất $CO_2$ có nhiệt độ tới hạn thấp ($31,1^\circ C$). Ở điều kiện khí hậu nhiệt đới với nhiệt độ môi trường ngoài trời thường đạt $35 - 36^\circ C$, nếu giải nhiệt bằng không khí thì hệ thống sẽ chuyển sang chu trình siêu tới hạn với áp suất làm việc rất cao (trên $73,9\text{ bar}$), đòi hỏi thiết bị chịu áp lớn và giảm hiệu quả năng lượng. Giải nhiệt bằng nước cho phép hạ nhiệt độ ngưng tụ xuống mức $29^\circ C$ (ứng với áp suất ngưng tụ $70\text{ bar}$), giúp hệ thống vận hành an toàn và ổn định ở chu trình dưới tới hạn.

2. Thiết bị ngưng tụ trong đề tài có kết cấu hình học và kích thước cụ thể như thế nào?
Thiết bị gồm ống đồng bên trong có đường kính trong $3,94\text{ mm}$, độ dày vách $0,41\text{ mm}$ lồng trong ống nhựa dẫn nước bên ngoài. Toàn bộ cụm ống lồng ống được uốn thành 22 vòng xoắn liên tiếp với bán kính uốn $8\text{ cm}$, tổng chiều dài ống xoắn là $11,06\text{ m}$, chiều cao cả cuộn ống là $0,352\text{ m}$ ($35,2\text{ cm}$) và đường kính cuộn ống khoảng $15\text{ cm}$.

3. Đề tài sử dụng giải pháp nào để nạp môi chất $CO_2$ vào hệ thống thực nghiệm?
Nhóm tác giả thiết kế và chế tạo một bình chứa chịu áp suất cao riêng biệt để nạp đá khô ($CO_2$ dạng rắn, nhiệt độ $-78,5^\circ C$). Khi đặt trong bình kín ở nhiệt độ phòng, đá khô trực tiếp thăng hoa thành thể khí, làm áp suất trong bình tăng lên và đẩy dòng khí $CO_2$ vào nạp đầy hệ thống thông qua hệ thống van nối.

4. Máy nén được lựa chọn cho mô hình thực nghiệm có thông số kỹ thuật ra sao?
Hệ thống sử dụng máy nén kiểu Piston của hãng Saden, sử dụng nguồn điện xoay chiều 1 pha, công suất điện $500\text{ W}$, phù hợp với công suất lạnh thiết kế $Q_0 = 1,1\text{ kW}$ và công suất nhiệt ngưng tụ $Q_k = 1,29\text{ kW}$.

5. Các điểm đo áp suất và nhiệt độ trong hệ thống thực nghiệm được bố trí tại những vị trí nào?
Hệ thống bố trí 4 vị trí đo áp suất (qua ống mao dẫn $1/8\text{ inch}$ nối về đồng hồ cơ) và 4 vị trí đo nhiệt độ chu trình (bằng nhiệt kế DS-1) tại: đầu hút máy nén, đầu đẩy máy nén, trước van tiết lưu và sau van tiết lưu. Ngoài ra, còn có 2 vị trí đo nhiệt độ nước giải nhiệt tại đường nước vào và đường nước ra của thiết bị ngưng tụ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu, thiết kế, gia công chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống 22 vòng xoắn sử dụng môi chất tự nhiên $CO_2$ cho hệ thống điều hòa không khí công suất lạnh $1,1\text{ kW}$. Kết quả tính toán nhiệt và thực nghiệm chứng minh tính khả thi của giải pháp giải nhiệt bằng nước nhằm duy trì chu trình $CO_2$ hoạt động ở trạng thái dưới tới hạn an toàn ($p_k = 70\text{ bar}$, $t_k = 29^\circ C$). Đề tài đóng góp thiết thực về mặt giải pháp kết cấu nhỏ gọn, quy trình công nghệ chế tạo và phương pháp nạp môi chất từ đá khô, tạo tiền đề kỹ thuật quan trọng cho việc ứng dụng môi chất $R744$ trong các thiết bị lạnh dân dụng tại Việt Nam.