Đặt vấn đề Ngày nay công nghệ kỹ thuật càng ngày càng tiến triển đi lên một cách nhanh chóng, song đó cùng với sự biến đổi khí hậu phức tạp, nhu cầu sử dụng các thiết bị điều hòa không khí hệ thống làm lạnh ngày càng tăng và với nhu cầu và sự phát triển đó thì các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu tìm kiếm môi chất lạnh mới, thay thế những môi chất lạnh làm ảnh hưởng xấu đến môi trường. Hiện nay các vấn đề suy giảm tầng Ozone và nóng lên toàn cầu. Vì thế, việc nghiên cứu để tìm ra những loại môi chất lạnh an toàn thân thiện với môi trường là mục tiêu của các chuyên gia. Các chuyên gia đã tìm ra được CO2 như một môi chất lạnh có tiềm năng thay thế các loại môi chất lạnh truyền thống đó là một trong những chất làm lạnh tự nhiên thân thiện với môi trường hàng đầu được ưu tiên để sử dụng.
Về cơ bản CO2 là khí phổ biến xuất hiện rất nhiều trong khí quyển là loại khí không độc, không cháy, trơ hóa học và không có khả năng làm suy giảm tần ozone nên việc tận dụng CO2 dùng làm môi chất cho chu trình lạnh là một lợi ích rất lớn. Điểm tới hạn của CO2 có nhiệt độ, áp suất tương ứng là 31oC; 73,6 bar với áp suất vận hành khá là cao. Nhiệt độ tới hạn thấp, áp suất cao đòi hỏi công việc gia công các thiết bị, đường ống phải đảm bảo an toàn cho con người lẫn thiết bị. Việc đưa CO2 vào một hệ thống lạnh ghép tầng ở tầng thấp là một cách phù hợp để giảm thiểu áp suất ngưng tụ của môi chất.
Môi chất lạnh CO2 là môi chất rất có tiềm năng phát triển trong tương lai, nhưng điều cần thiết ta cần phải hiểu rõ được về tính chất truyền nhiệt của môi chất trong thiết bị trao đổi nhiệt. Hiện tại có rất ít nghiên cứu liên quan đến hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất là CO2, trong thiết bị trao đổi nhiệt, đặc biệt là với phương pháp tính toán và mô phỏng. Với mong muốn đóng góp tìm tòi các kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực này, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài” Nghiên cứu mô phỏng quá trình truyền nhiệt 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th. Nguyễn Hoàng Tuấn của thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng trong hệ thống lạnh ghép tầng dùng cặp môi chất R134a/R744”.
Nghiên cứu này có thể tận dụng và phát huy tiềm năng của môi chất lạnh CO2. Những công trình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Những công trình nghiên cứu trong nước Việc nghiên cứu về hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 còn khá là mới. Những nghiên cứu này còn rất hạn chế.
Trong nước chỉ có một vài nghiên cứu đáng chú ý nổi bậc để quan tâm, về hệ thống lạnh sử dụn CO2. Trong một vài năm gần đây, đại đa số các nghiên cứu về đề tài này là ở các nhóm nghiên cứu của Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh do PGS. Đặng Thành Trung cùng với các đồng nghiệp cộng sự của ông cùng thực hiện. Thanhtrung Dang và các cộng sự [1] đã thực hiện việc nghiên cứu về đặc tính dòng chảy và truyền nhiệt của chất lỏng trong bộ trao đổi nhiệt kiểu kênh hình chữ nhật.
Ngoài ra, tác động của trọng lực làm ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt và giảm áp suất trong bộ trao đổi nhiệt kiểu kênh được biểu diễn thông qua việc điều chỉnh góc nghiêng vật lý của hệ thống trao đổi nhiệt kiểu kênh được áp dụng trong các thí nghiệm. Trong quá trình thực hiện thí nghiệm đã đạt được kết quả là 17,4 W/cm2 đối với thiết bị trao đổi nhiệt. Đồng thời, cũng đã xác định được hiệu quả thực tế và hiệu quả thông qua phương pháp tính toán hiệu quả-NTU. Trong bài báo này, chúng em nhận thấy nhận thấy rằng áp suất giảm sẽ dẫn đến sự tăng của nhiệt độ của nước.
Khi áp suất giảm từ 880 lên 4400 Pa, lưu lượng cũng tăng từ 0,1812 lên 0,8540 g/s và kết quả từ các phân tích số cũng khớp với kết quả từ các thực nghiệm với sự sai lệch trong hệ số truyền nhiệt chỉ khoảng dưới 9%. Thanhtrung Dang và các cộng sự [2] đã nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ trong hệ thống lạnh R744 được đánh giá bằng phương pháp số và phương pháp thực nghiệm. Hai cấu hình của thiết bị ngưng tụ bay hơi đã được nghiên cứu: Trường hợp 1 có năm lớp ống và Trường hợp 2 có tám lớp ống. Để đánh giá các tính 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.
Nguyễn Hoàng Tuấn chất truyền nhiệt, trường nhiệt độ, sự thay đổi pha, phân bố áp suất và các thông số nhiệt động. Đối với Trường hợp 2, chỉ ra khả năng ngưng tụ của R744 từ trạng thái quá nhiệt sang trạng thái lỏng bão hòa bằng cách phân tích nhiệt độ đầu ra của thiết bị ngưng tụ thay đổi từ 28,7°C đến 30,3°C với sự thay đổi áp suất ngưng tụ từ 72,6 bar đến 68,5 bar. Trong nghiên cứu này, lưu lượng khối lượng R744 tăng từ 14,34 kg/h lên 46,08 kg/h, đồng thời tổn thất áp suất cũng tăng lần lượt từ 0,23 bar lên 0,47 bar đối với mô phỏng và 0,4 bar lên 0,5 bar đối với thực nghiệm. Kết quả chỉ ra rằng năm lớp dàn gây ra độ sụt áp cao hơn và COP thấp hơn so với cấu hình thu được từ tám lớp dàn (chia thành hai bộ để giảm áp suất nhỏ hơn).
Hơn nữa, dàn ngưng bay hơi sử dụng ống nhỏ ngâm trong bể nước làm mát thích hợp cho hệ thống điều hòa không khí cận tới hạn R744. Ngoài ra, kết quả thu được từ dữ liệu thực Thanhtrung Dang và các cộng sự [3] đã nghiên cứu Ảnh hưởng của tỷ số áp suất đến hiện tượng truyền nhiệt của thiết bị bay hơi trong hệ thống điều hòa không khí CO2 bằng phương pháp thực nghiệm. Hai trường hợp được thực nghiệm: trường hợp 1 sử dụng một máy nén và trường hợp 2 sử dụng hai máy nén song song. Trong nghiên cứu này, lưu lượng khối lượng tăng gấp đôi trong trường hợp hai máy nén song song.
Lưu lượng khối lượng cho trường hợp 2 giảm từ 71 xuống 61 kg/h khi tỷ số áp suất tăng 1,7 lên 2,2. Khi tỷ lệ áp suất tăng, chênh lệch nhiệt độ không khí tăng từ 5,2 đến 9,1°C đối với trường hợp 1. Đối với trường hợp 2, chênh lệch nhiệt độ không khí tăng từ 5,0 đến 8,8°C. Đối với trường hợp 1, nhiệt độ không khí đầu ra giảm từ 24,8 xuống 20°C khi tăng tỷ số áp suất từ 1,7 lên 2,2; nhiệt độ không khí đầu ra giảm từ 20,0 xuống 16,2°C đối với trường hợp 2.
Dữ liệu từ trường hợp 2 là nhiệt độ quá nhiệt của TBBH (từ 6,2 đến 7,7°C) thấp hơn nhiệt độ thu được từ trường hợp 1 (từ 9,9 đến 13oC). Thanhtrung Dang cùng các cộng sự [4] đã nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt trong bộ làm mát khí của hệ thống điều hòa không khí sử dụng CO2 thông qua phương pháp số. Trong nghiên cứu này, thử nghiệm mô phỏng có chiều dài 100 mm và đường kính 6,4 mm. Các điều kiện của cuộc nghiên cứu được tái tạo bằng số liệu thực nghiệm của hệ thống CO2 cho điều hòa không khí có nhiệt độ mát hơn ở đầu vào là 44,4oC và nhiệt 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.
Nguyễn Hoàng Tuấn độ môi trường xung quanh được làm mát bằng không khí có nhiệt độ là 31. Kết quả cho thấy nhiệt độ thoát ra của CO2 trong ống giảm ở vị trí 100 mm. Ngoài ra, cấu hình nhiệt độ, trường vận tốc, mức giảm áp suất và tốc độ truyền nhiệt đều được xác định. Ngoài ra, kết quả bằng số của mô phỏng khá phù hợp với kết quả thực tế.
Những phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong việc tính toán và thiết kế các thiết bị truyền nhiệt sử dụng CO2. Trường nhiệt độ từ thông số mô phỏng 1. Những công trình nghiên cứu ngoài nước Bellos cùng các cộng sự [5] đã so sánh các hệ thống làm lạnh ghép tầng khác nhau có sử dụng CO2 trong chu trình nhiệt độ thấp. Tổng cộng có trường hợp 18 cấu hình khác nhau được kiểm tra bao gồm cả hệ thống tầng CO2/CO2.
Phân tích được thực hiện ở bốn nhiệt độ bay hơi khác nhau (−35°C, −25°C, −15°C và −5°C), trong khi nhiệt độ thiết bị ngưng tụ nằm trong khoảng từ 10°C đến 45°C. Các hệ thống được so sánh về mặt năng lượng cũng như sử dụng tổng tác động làm nóng lên tương đương (TEWI) khi vận hành hàng năm ở điều kiện thời tiết ở Athens (Hy Lạp). Kết quả cuối cùng cho thấy tất cả các hệ thống ghép tầng ta được kiểm tra đều hiệu quả hơn hệ thống hai cấp 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th. Nguyễn Hoàng Tuấn CO2/CO2.
Các chất làm lạnh tự nhiên (NH3, R290, R600, R600a và R1270) dường như là sự lựa chọn phù hợp nhất theo tiêu chí năng lượng và TEWI. Hơn nữa, chất làm lạnh R152a là một lựa chọn đầy hứa hẹn để đạt được hiệu suất cao với TEWI tương đối thấp. Feng Cao cùng các cộng sự [6] đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nước trung gian đến hiệu suất của bơm nhiệt kết hợp R134a và CO2 xuyên tới hạn về mặt lý thuyết và thực nghiệm. Mô hình toán học lần đầu tiên được xác nhận bằng cách sử dụng dữ liệu thực nghiệm và sau đó được áp dụng để phân tích hiệu suất của hệ thống kết hợp.
Kết quả cho thấy tồn tại một nhiệt độ nước trung gian tối ưu (nhiệt độ nước đầu vào tại bộ làm mát khí) mà tại đó hệ thống kết hợp có COP cao nhất. Nhiệt độ nước trung gian tối ưu này thay đổi theo nhiệt độ không khí xung quanh. Hơn nữa, ảnh hưởng của nhiệt độ nước trung gian lên từng hệ thống con R134a và CO2 xuyên tới hạn đã được nghiên cứu. Kết quả cho thấy cả công suất sưởi và mức tiêu thụ điện năng trong hệ thống con R134a đều tăng khi nhiệt độ nước trung gian tăng.
Tuy nhiên, mức tiêu thụ điện trong hệ thống CO2 giảm nhẹ và công suất sưởi ấm đạt giá trị tối ưu khi nhiệt độ nước trung gian tăng từ 15°C đến 32°C trong nhiệt độ không khí xung quanh dao động từ −20°C đến 7°C. Yang cùng các cộng sự [7] đã nghiên cứu hệ thống R134a kết hợp mới và CO2 xuyên tới hạn về mặt lý thuyết và thực nghiệm để sưởi ấm không gian. Kết quả thử nghiệm cho thấy nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt độ sưởi ấm không gian ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của hệ thống.