CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu Ngày nay kỹ thuật lạnh được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như ngành công nghiệp, nông nghiệp, y tế, quốc phòng, điều hòa không khí,… Để làm lạnh ở nhiệt độ thấp người ta sử dụng máy lạnh nhiều cấp và máy lạnh ghép tầng. Một trong những ưu điểm chính của chu trình lạnh ghép tầng đó là tận dụng được các ưu điểm của môi chất lạnh cho mỗi tầng. Do vậy, trong hầu hết các hệ thống lạnh ghép tầng đa số tác giả chú ý đến việc lựa chọn cặp môi chất lạnh để sử dụng sao cho hệ thống lạnh làm việc đạt hiệu quả cao, tăng hệ số làm lạnh, hạn chế ảnh hưởng đến môi trường.
Bên cạnh đó, các nghiên cứu chưa chú ý nhiều đến quá trình truyền nhiệt diễn ra như thế nào trong thiết bị Ngưng tụ – Bay hơi của máy lạnh ghép tầng. Các hệ thống lạnh sử dụng môi chất lạnh là CFC (Chlorofluorocarbon) và HCFC (Hydrochlorofluorocarbon) có chứa nguyên tử Clo. Khi bị rò rỉ môi chất bay dần lên tầng thượng lưu khí quyển gây hiệu ứng lồng kính và tác động làm thủng tầng Ozone của Trái Đất, từ đó làm biến đổi khí hậu toàn cầu. Vì vậy một số môi chất lạnh ít ảnh hưởng tới sự biến đổi khí hậu và bảo vệ môi trường được nghiên cứu như: NH3, các môi chất lạnh HFC (Hydrofluorocarbon), không khí, nước muối NaCl, hỗn hợp nước- Etylenglycol, CO2 (hay R744),… đã được chọn để thay thế các môi chất có chứa nguyên tử Clo trong một số hệ thống lạnh.
Thời gian gần đây, nhu cầu nghiên cứu các thiết bị truyền nhiệt cũng như cả hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO2 kết hợp với các môi chất lạnh khác đang được nhiều tác giả quan tâm. Từ các nghiên cứu trước liên quan, việc nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt của thiết bị Ngưng tụ – Bay hơi trong máy lạnh ghép tầng R32– CO2 là hết sức cần thiết. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước: Wang cùng cộng sự [1] đã thực hiện phân tích nhiệt động lực học của chu trình ghép tầng CO2 siêu tới hạn được tích hợp với năng lượng mặt trời và năng lượng sinh khối.
Trong công trình nghiên cứu này, hệ thống xếp tầng CO2 siêu tới hạn được đề xuất tích hợp với năng lượng mặt trời và năng lượng sinh khối. Kết quả chỉ ra rằng hiệu suất nhiệt của toàn hệ thống đạt 40,1%. Zhang cùng cộng sự [2] đã thực hiện đánh giá tiêu chuẩn về hiệu quả của bộ trao đổi nhiệt giãn nở bên trong vòi phun trong chu trình làm lạnh CO2. Kết quả cho thấy việc bổ sung IHE trong chu trình làm lạnh đầu phun CO2 sẽ tăng tỷ lệ hút vào vòi phun, hiệu suất phun, và giảm phục hồi áp suất dưới cùng áp suất làm mát khí.
Gupta cùng cộng sự [3] đã thực hiện đánh giá “Hiệu suất của hệ thống lạnh CO2 qua tới hạn với công phục hồi tuabin trong bối cảnh ở Ấn Độ”. Tác giả chỉ ra rằng, trong hệ thống làm lạnh Carbon Dioxide (CO2) để cải thiện hiệu suất tổng thể cần phải thay đổi chu kỳ qua tới hạn. Trong bài viết này, một nghiên cứu dựa trên mô phỏng đã được tác giả thực hiện để phân tích hiệu suất của quá trình qua tới hạn làm lạnh CO2 với công phục hồi tuabin. Xu cùng cộng sự [4] đã thực hiện công trình nghiên cứu đánh giá thực nghiệm về hiệu quả của bộ trao đổi nhiệt bên trong hệ thống vòi phun CO2.
Nghiên cứu này tập trung vào so sánh hiệu suất của hệ thống phun CO2 không có bộ trao đổi nhiệt bên trong (IHX) (EJE – S) với hệ thống phun CO2 chuyển tới hạn IHX (EJE–IHX–S). Kết quả thí nghiệm cho thấy IHX làm suy yếu sự đóng góp của bộ phun vào hiệu năng hệ thống. Liên quan đến việc điều tra về khả năng thích ứng của hệ thống làm lạnh CO2 tới hạn với ống mao quản Song cùng cộng sự [5] đã nghiên cứu khả năng thích ứng của ống mao dẫn trong hệ thống làm lạnh CO2 qua tới hạn bằng một mô hình dòng chảy riêng biệt của ống mao quản CO2. Kết quả cho thấy, COP tương đối dao động từ 82% đến 98% khi có độ lệch 10 0C giữa nhiệt độ đầu ra của bộ làm lạnh khí thực với giá trị thiết kế.
2 Luan van Yang cùng cộng sự [6] đã nghiên cứu giảm thiểu tổn thất COP từ tương quan áp suất cao tối ưu cho chu trình CO2 qua tới hạn. Tác giả đã tiến hành những nghiên cứu điển hình về chu trình chuyển hóa CO2 tới hạn trong một giai đoạn và đã chứng minh rằng tổn thất COP tối đa từ phương pháp tối ưu hóa áp suất cao thông thường có thể giảm đáng kể từ 71 % xuống 0,7 %. Thí nghiệm về quá trình giãn nở và quá nhiệt của chu trình CO2 bằng thiết bị bay hơi vi mạch kênh Micro được thực hiện bởi tác giả Đặng Thành Trung cùng cộng sự [7]. Trong nghiên cứu này, diện tích mặt cắt ngang của van giãn nở giảm từ 8,195 mm2 xuống 0,091 mm2, áp suất làm lạnh tăng và áp suất bay hơi giảm; chênh lệch áp suất giữa bộ làm mát và thiết bị bay hơi tăng; chênh lệch áp suất và công suất đầu vào tăng mạnh khi diện tích mặt cắt nhỏ hơn 0,4 mm2.
Tao cùng cộng sự [8] đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm về hiệu suất của hệ thống điều hòa không khí dân dụng CO2 với bộ trao đổi nhiệt bên trong. Tác giả đã điều tra sự ảnh hưởng của điều kiện làm việc đến hệ số hiệu suất hệ thống (COP). 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 nhiệt độ khí vào của thiết bị bay hơi được nghiên cứu và các vùng vận tốc tương ứng. Crespi cùng cộng sự [9] đã tiến hành nghiên cứu đánh giá chu trình carbon dioxide siêu tới hạn để phát điện.
Bài viết này xem xét các khái niệm chu kỳ khác nhau (độc lập và kết hợp với các chu trình khác sử dụng các công nghệ tương tự hoặc khác nhau), bố cục, nhiên liệu, ứng dụng (chỉ nguồn hoặc hỗn hợp nhiệt và năng lượng) và điều kiện hoạt động được xem xét và phân loại theo cấu hình của chu trình. Mohammadi cùng cộng sự [10] đã so sánh hiệu suất năng lượng và exergy của các cấu hình khác nhau của một hệ thống làm lạnh nén hai tầng hấp thụ với chất làm lạnh CO2. Bài viết này trình bày một nghiên cứu so sánh về sáu cấu hình của một tầng nén hệ thống lạnh hấp thụ. Hệ thống được vận hành bởi một tuabin siêu nhỏ cung cấp năng lượng cho cả hai thiết bị làm lạnh.
Kết quả cho thấy lựa chọn dòng xả và áp suất làm lạnh cùng với nhiệt độ máy phát được tính toán tốt có thể nâng cao đáng kể hệ số sử dụng năng lượng của hệ thống. 3 Luan van Yadavalli cùng cộng sự [11] đã thực hiện phương pháp thu CO2 bằng cách sử dụng sự biến đổi bề mặt amoniac sunphatthan sinh khối hoạt tính. Các thử nghiệm phương pháp thay đổi bề mặt than hoạt tính ở nhiệt độ thấp bằng cách sử dụng amoni sunfat. Kết quả đã tăng cường khả năng hấp phụ CO2 của gỗ linh sam Douglas sinh khối dựa trên than hoạt tính.
Girard và cộng sự [12] đã thực hiện công trình nghiên cứu đầu dò quang học nhỏ gọn cho nhiệt độ ngọn lửa và carbon dioxide bằng cách sử dụng tầng laser hấp thụ xen kẽ gần 4. Tác giả đã đưa ra một kỹ thuật đo nhiệt độ tại chỗ được phát triển cho ngọn lửa áp suất thấp dựa trên kỹ thuật hấp thụ laser của CO2 mới sinh. Kết quả các phép đo đã được chứng minh trong phạm vi áp suất 25 – 60 torr và từ khoảng cách 3 – 23 mm so với mặt đầu đốt cho ngọn lửa metan, etylen và propan trên một loạt các tỷ lệ tương đương. Tan cùng cộng sự [13] đã thực hiện đề tài nghiên cứu về lượng khí thải CO2 từ hồ chứa Geheyan trên 4 lưu vực sông Thanh Giang, Trung Quốc.
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng thông lượng CO2 trung bình trong hồ chứa Geheyan là 55,69 + 66,33 mg m-2h-1. Lượng khí thải carbon dioxide thấp hơn vào mùa xuân và mùa hè khi mực nước thường xuyên thay đổi để kiểm soát lũ lụt. Ming cùng cộng sự [14] đã thực hiện việc đánh giá hiệu suất và phân tích cấu hình tối ưu của CO2/NH3 hệ thống làm lạnh ghép tầng với thiết bị Ngưng tụ – Bay hơi kiểu màng. Tác giả đã trình bày một hệ thống làm lạnh ghép tầng CO2/NH3, trong đó một thiết bị Ngưng tụ – Bay hơi kiểu màng được sử dụng như bộ trao đổi nhiệt ghép tầng.
Các kết quả phân tích nhiệt động học của hệ thống cho thấy sự cải thiện hệ số hiệu suất (COP) do chênh lệch nhiệt độ nhỏ được cung cấp bởi thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng. Cai cùng cộng sự [15] đã thực hiện mô hình hóa và tính toán hệ thống làm lạnh carbon dioxide hở. Tác giả đề xuất một hệ thống làm lạnh carbon dioxide hở dựa trên phân tích tính chất của carbon dioxide; mối quan hệ giữa môi trường lưu trữ carbon dioxide và công suất làm lạnh được tiến hành. Bằng cách so sánh các tính toán lý thuyết và kết quả thí nghiệm, một số kết luận thu được như sau: mất khả năng làm 4 Luan van lạnh bằng cách truyền nhiệt ở trạng thái siêu tới hạn nhiều hơn ở vùng hai pha và mất năng lực làm lạnh bởi lượng carbon dioxide còn lại ít liên quan đến trạng thái của carbon dioxide.
Sadreddini cùng cộng sự [16] đã thực hiện phân tích nhiệt động lực học của một tầng ORC mới và chu trình chuyển hóa CO2 để thu hồi năng lượng từ nguồn nhiệt ở nhiệt độ trung bình và hóa lỏng khí tự nhiên. Kết quả cho thấy hiệu suất tốt nhất cho một chu trình xếp tầng với Pentane là chất lỏng làm việc cho phần ORC. Trong chu trình ghép tầng được đề xuất áp suất ngưng tụ ORC và nhiệt độ chỗ thắt của bộ trao đổi nhiệt là các thông số quan trọng nhất có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất hệ thống và giá trị của chúng nên được lựa chọn rất cẩn thận. Suna cùng cộng sự [17] đã thực hiện phương pháp kết nối từ trên xuống dưới theo chu kỳ với tầng sử dụng nhiệt khí thải cho nhà máy nhiệt điện than carbon dioxide siêu tới hạn.