Luận án tiến sĩ về đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi kênh micro trong máy điều hòa không khí cỡ nhỏ với môi chất lạnh CO2

• Tác giả: Nguyễn Trọng Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Thành Trung
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi kênh micro trong máy điều hòa không khí cỡ nhỏ sử dụng CO2
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH HÌNH ẢNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do lựa chọn đề tài
• 1.2. Mục đích nghiên cứu
• 1.3. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.4. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu
• 1.5. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.7. Cấu trúc Luận án
• 1. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.3. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.4. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
• 1.5. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.5.1. Phạm vi nghiên cứu
• 1.6. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2. LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN NHIỆT KÊNH MINI/MICRO
• 2.1. Hệ số truyền nhiệt tổng của TBBH
• 2.2. Hệ số toả nhiệt đối lưu phía không khí
• 2.3. Hệ số toả nhiệt đối lưu của môi chất lạnh CO2
• 2.4. Tổn thất áp suất trong TBBH kênh micro
• 3. LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG LẠNH CO2 TRÊN TỚI HẠN
• 3.1. Môi chất CO2 (R744)
• 3.2. Hệ thống lạnh CO2 trên tới hạn cơ bản
• 3.3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH CO2 VỚI THIẾT BỊ BAY HƠI KÊNH MICRO
• 3.4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH CO2 TRÊN TỚI HẠN
• 3.4.1. Trình tự tính toán
• 3.4.2. Điều kiện ban đầu cho bài toán thiết kế
• 3.4.3. Lập bảng các giá trị của các điểm nút chu trình
• 3.4.4. Tính toán nhiệt
• 3.4.5. Tính toán thiết bị bay hơi
• 3.4.6. Thiết bị làm mát
• 3.5. TÍNH KIỂM TRA KẾT QUẢ THIẾT KẾ
• 3.5.1. Tính toán, kiểm tra thiết bị bay hơi (TBBH)
• 3.5.2. Kiểm tra thiết bị làm mát (TBLM)
• 3.5.3. TỔNG HỢP TÍNH TOÁN VÀ KIỂM TRA
• 4. MÔ PHỎNG SỐ VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 4.1. THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH TOÁN HỌC CHO MÔ PHỎNG SỐ
• 4.1.1. Dòng chảy rối RANS 𝒌 − 𝜺 (Reynolds-Averaged Navier–Stokes)
• 4.1.2. Các phương trình truyền nhiệt
• 4.1.3. Các phương trình về sự chuyển pha [83]
• 4.1.4. Môi chất tại lớp biên
• 4.1.5. Khi môi chất quá nhiệt
• 4.2. THIẾT LẬP MÔ PHỎNG SỐ TRÊN PHẦN MỀM COMSOL
• 4.2.1. Thiết lập môi trường (Model Wizard)
• 4.2.2. Thiết lập mô hình hình học
• 4.2.3. Thiết lập thuộc tính vật liệu (Specify materials propeties)
• 4.2.4. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu
• 4.2.5. Thực hiện mô phỏng (Run Simulation)
• 4.2.6. Kiểm tra sự hội tụ
• 4.3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN TẠI NHIỆT ĐỘ BAY HƠI 10OC
• 4.3.1. Nhiệt độ và mật độ dòng nhiệt
• 4.3.2. Hệ số toả nhiệt đối lưu 2 pha
• 4.4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN TẠI NHIỆT ĐỘ BAY HƠI 5 VÀ 15OC
• 4.4.1. Các điều kiện ban đầu
• 4.4.2. Kết quả về độ khô
• 4.4.3. Kết quả về hệ số toả nhiệt đối lưu
• 4.4.4. Kết quả về công suất lạnh
• 5. THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ
• 5.1. LẮP ĐẶT HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP LẤY MẪU
• 5.1.1. Lắp đặt hệ thống thí nghiệm
• 5.1.2. Phương pháp lấy mẫu
• 5.1.3. Các phương trình được sử dụng như:
• 5.1.4. Đánh giá sai số của phép đo:
• 5.2. CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
• 5.2.1. Thực nghiệm đánh giá kết quả tính toán và mô phỏng số
• 5.2.2. Ảnh hưởng của quá trình làm mát phụ (Subcooler)
• 5.2.3. Ảnh hưởng của quá trình hồi nhiệt đến đặc tính truyền nhiệt
• 5.2.4. Ảnh hưởng của lưu lượng CO2 đến các đặc tính truyền nhiệt
• 5.2.5. Ảnh hưởng của lưu lượng không khí qua TBBH
• 5.2.6. Ảnh hưởng của tỉ số áp suất pc/pe đến đặc tính TBBH
• 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
• 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• PHỤ LỤC 1 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN NHIỆT EES
• PHỤ LỤC 2 THÔNG SỐ KỸ THUẬT THIẾT BỊ LÀM MÁT
• PHỤ LỤC 3 THÔNG SỐ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ
• PHỤ LỤC 4 BẢNG TÍNH EXCEL CHU TRÌNH CO2
• PHỤ LỤC 5 MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH QUÁ NHIỆT
• PHỤ LỤC 6 BẢNG DỮ LIỆU THỰC NGHIỆM

I. Giới thiệu về thiết bị bay hơi kênh micro

Thiết bị bay hơi kênh micro là một phần quan trọng trong hệ thống lạnh, đặc biệt là trong máy điều hòa không khí cỡ nhỏ. Thiết bị bay hơi này có khả năng truyền nhiệt hiệu quả nhờ vào cấu trúc kênh nhỏ, giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa môi chất lạnh và không khí. Việc sử dụng CO2 làm môi chất lạnh trong thiết bị này không chỉ giúp giảm thiểu tác động đến môi trường mà còn nâng cao hiệu suất làm lạnh. Theo nghiên cứu, đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi kênh micro có thể được cải thiện thông qua việc tối ưu hóa thiết kế và điều kiện vận hành. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng hệ thống làm lạnh với kênh micro có thể giảm kích thước và trọng lượng của thiết bị, đồng thời tăng cường hiệu suất năng lượng.

1.1. Nguyên lý hoạt động của thiết bị bay hơi kênh micro

Nguyên lý hoạt động của thiết bị bay hơi kênh micro dựa trên quá trình bay hơi của môi chất lạnh CO2 trong các kênh nhỏ. Khi môi chất lạnh đi vào thiết bị, nó sẽ hấp thụ nhiệt từ không khí xung quanh, dẫn đến sự chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi. Hệ số truyền nhiệt trong thiết bị này được xác định bởi nhiều yếu tố, bao gồm tốc độ dòng chảy của môi chất, nhiệt độ và áp suất. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các yếu tố này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất làm lạnh của hệ thống. Cụ thể, việc điều chỉnh lưu lượng CO2 có thể làm tăng hiệu suất truyền nhiệt lên đến 50%.

II. Đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi kênh micro

Đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi kênh micro được nghiên cứu thông qua các thí nghiệm và mô phỏng số. Các kết quả cho thấy rằng hệ số toả nhiệt đối lưu của môi chất lạnh CO2 trong kênh micro có thể đạt giá trị cao hơn so với các thiết bị truyền nhiệt truyền thống. Việc sử dụng hệ thống HVAC với thiết bị bay hơi kênh micro không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu lượng khí thải ra môi trường. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc lắp đặt thêm thiết bị làm mát phụ có thể làm giảm nhiệt độ trước van tiết lưu, từ đó nâng cao hiệu suất làm lạnh. Cụ thể, việc này có thể làm tăng COP (hệ số hiệu suất năng lượng) lên đến 39%.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính truyền nhiệt

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi kênh micro, bao gồm lưu lượng môi chất, tốc độ không khí và áp suất. Nghiên cứu cho thấy rằng khi thay đổi lưu lượng CO2 từ 97,5 đến 121,4 kg/h, nhiệt độ bay hơi có thể tăng từ 8,2 đến 14,5 độ C. Điều này cho thấy rằng việc tối ưu hóa lưu lượng môi chất là rất quan trọng để đạt được hiệu suất làm lạnh tốt nhất. Ngoài ra, tốc độ không khí qua thiết bị cũng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất truyền nhiệt. Khi tốc độ không khí tăng lên, năng suất lạnh phía không khí có thể đạt giá trị tối ưu, cho thấy sự tương tác giữa không khí và môi chất lạnh là rất quan trọng trong quá trình truyền nhiệt.

III. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu về đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi kênh micro trong máy điều hòa không khí cỡ nhỏ sử dụng CO2 có nhiều ứng dụng thực tiễn. Việc áp dụng các công nghệ mới trong thiết kế và vận hành hệ thống lạnh không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trong nhiều bài báo khoa học, cho thấy tính khả thi và hiệu quả của việc sử dụng thiết bị bay hơi kênh micro trong các hệ thống lạnh hiện đại. Hệ thống này có thể được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như công nghiệp chế biến thực phẩm, điều hòa không khí cho các tòa nhà thương mại và dân dụng.

3.1. Tính khả thi và hiệu quả kinh tế

Tính khả thi của việc áp dụng thiết bị bay hơi kênh micro trong hệ thống lạnh cỡ nhỏ sử dụng CO2 đã được chứng minh qua các thí nghiệm thực tế. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng thiết bị này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất làm lạnh mà còn giảm chi phí vận hành. Hệ số COP cao hơn đồng nghĩa với việc tiết kiệm năng lượng, từ đó giảm chi phí điện năng cho người tiêu dùng. Hơn nữa, việc sử dụng môi chất lạnh CO2 tự nhiên giúp giảm thiểu tác động đến môi trường, góp phần vào việc phát triển bền vững trong ngành công nghiệp lạnh.