CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Năng lượng là một trong những yếu tố thiết yếu cho sự tồn tại và phát triển của xã hội ngày nay cũng như duy trì mọi sự sống trên trái đất. Trong nhiều thập kỷ qua việc tiêu thụ năng lượng trên thế giới tăng lên cùng với sự phát triển kinh tế trong đó nhiên liệu hóa thạch như dầu thô, than đá và khí tự nhiên chiếm phần lớn năng lượng tiêu thụ vì vậy những nguồn năng lượng này sẽ bị cạn kiệt sớm hay muộn trong tương lai do đó vấn đề tiết kiệm và sử dụng hiểu quả năng lượng có ý nghĩa vô cùng quan trọng và cần thiết. Trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước như ngày nay, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường là những vấn đề cấp thiết của xã hội.
Tiết kiệm năng lượng giúp cắt giảm một lượng nhiên liệu đồng thời giảm đi một lượng chất thải có tác động xấu đến môi trường. Trong đó, ngành công nghiệp nhiệt lạnh có tiềm năng tiết kiệm năng lượng cao nhất gồm hệ thống lạnh công nghiệp và lạnh dân dụng. Thiết bị trao đổi nhiệt cũng được xem là thành phần chính trong hệ thống lạnh, điều hòa không khí của các tòa nhà, khu chung cư, trường học, trung tâm thương mại, cũng như trong các nhà máy, xí nghiệp phục vụ cho nhu cầu đông lạnh, trữ đông hải sản,… Với những hệ thống lạnh như hiện nay, hầu hết môi chất lạnh sử dụng chủ yếu là CFC, HCFC hay HFC có sự tác động không nhỏ đến tầng Ozon gây ra hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu toàn cầu. Thêm vào đó thiết bị trao đổi nhiệt hiện này thường được chế tạo chủ yếu là loại ống đồng cánh nhôm, thông số kích thước tùy thuộc vào công suất dẫn đến hiệu suất không cao và kết cấu khá cồng kềnh, từ đó những yêu cầu về kích thước, thẩm mỹ, năng suất, giá thành được đặt ra.
Nắm bắt được những xu hướng và khuyết điểm đó các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao hiệu suất cũng như chất lượng của thiết bị trao đổi nhiệt. Trong số đó có một hướng nghiên cứu mới là sử dụng thiết bị làm mát ống mini và sử dụng CO2 làm môi chất lạnh thay thế cho các môi chất lạnh hiện nay. Việc nghiên cứu và sử dụng thiết bị làm mát ống mini đã thu nhỏ được kích thước thiết bị mà vẫn có hiệu quả tốt, mật độ truyền nhiệt cao, chi phí chế tạo, lắp đặt hợp lí. Đồng thời, khi CO2 được sử dụng phổ biến trong hệ thống lạnh thay có các môi chất lạnh hiện 8 Luan van NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: NCS.
ĐOÀN MINH HÙNG nay thì lượng Flourocarbon sẽ giảm và lượng CO2 bên ngoài môi trường cũng sẽ giảm đi. Nhằm góp phần cho những giải pháp này, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu trường nhiệt độ và độ ẩm của không khí qua thiết bị bay hơi kênh mini dùng môi chất lạnh CO2”. Mục đích chọn đề tài Tìm hiểu và nghiên cứu về môi chất lạnh CO2 và bộ trao đổi nhiệt kích thước mini, cùng sự thay đổi các đặc tính vật lí của các trường vật chất (không khí) đi qua thiết bị bay hơi kênh mini. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Rao và các cộng sự [1] đã tiến hành nghiên cứu về đặc tính dòng chảy và hệ số truyền nhiệt của môi chất CO2 trong các kênh khác nhau.
Mục đích chính của bài viết này là cung cấp một tổng quan về công bố các nghiên cứu có liên quan đến dòng chảy và đặc tính truyền nhiệt của CO2. Dựa trên các công trình thực tế các yếu tố kích thước ống, lưu lượng môi chất, nhiệt độ và áp suất đầu vào và đầu ra của CO2 sẽ ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt của CO2. Khi áp suất đầu vào tăng lên, mật dộ và độ nhớt tăng lên làm cho nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn và ngược lại. Jadhav và các cộng sự [2] tiến hành nghiên cứu các đặc tính dòng chảy của các ống mao đối lưu cho chất làm lạnh R744.
Lấy kết quả của mười sáu mô hình có hệ số ma sát khác nhau so sánh với các kết quả sẵn có. Ta lập được biểu đồ dự đoán tốc độ dòng chảy của môi chất lạnh R744. Kết quả này được so sánh với kết quả của Wang và cộng sự dựa trên sai số trung bình, được tính cho các trạng thái khác nhau. Người ta nhận thấy sai số bình quân trung bình nằm trong khoảng giới hạn chấp nhận được, phù hợp nhất cho dự báo tốc độ khối lượng của ống mao với các điều kiện hoạt động đã chọn cho môi chất R744.
Mô hình hiện tại có thể được sử dụng để thiết kế các ống mao làm việc với chất làm lạnh CO2. Austin và Sumathy [3] đã tiến hành nghiên cứu về hiệu năng và lợi ích của việc sử dụng bơm nhiệt có áp suất làm việc cao hơn áp suất làm việc của CO2 dẫn đến nhiệt độ tới hạn của CO2 nhỏ hơn nhiệt độ tới hạn của bơm nhiệt, hệ thống không còn bị giới hạn phạm vi nhiệt độ hoạt động, gọi là bơm nhiệt liên tục hoặc là bơm nhiệt không giới hạn, 9 Luan van NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: NCS. ĐOÀN MINH HÙNG chu trình bơm nhiệt liên tục sử dụng carbon dioxide bắt đầu vào đầu những năm 1990. Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, cũng như phát triển hệ thống thương mại, đã tăng cường hiệu suất tới hạn hệ thống tới mức gần bằng các hệ thống bơm nhiệt thông thường.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các máy bơm nhiệt CO2 có thể vận hành tốt đối với các ứng dụng làm nóng nước và không khí. Gullo và cộng sự [4] đã tiến hành nghiên cứu hiệu suất môi chất R744 bằng cách tiến hành thực nghiệm về sử dụng môi chất R744 cho các hệ thống lạnh tại các cửa hàng bán lẻ thực phẩm với quy mô trung bình ở nhiều vùng có khí hậu khác nhau ở châu Âu. So sánh giữa môi chất R404A được sử dụng rộng rãi hiện nay với môi chất R774 đang trong quá trình nghiên cứu thì các kết quả cho thấy so với hệ thống sử dụng môi chất R404A thì hệ thống lạnh sử dụng môi chất lạnh R744 trên cùng một công suất sẽ tiết kiệm năng lượng hơn từ 3% đến 37,1% trên khắp châu Âu. Cũng trong cuộc điều tra này cho thấy rằng việc kết nối song song máy phun với đầu phun hơi và đầu phun chất lỏng sẽ cho kết quả tối ưu nhất ở bất kỳ chế độ vận hành nào là công nghệ hiệu quả cao nhất và thân thiện với khí hậu đối với ngành bán lẻ thực phẩm châu Âu.
Bansal [5] đã tiến hành nghiên cứu về các nguyên tắc cơ bản và ứng dụng môi chất lạnh CO2 trong các hệ thống làm lạnh sâu, cùng với một số thảo luận về tính chất an toàn của nó, phân tích nhiệt động lực học, những thách thức, nhu cầu về cơ bản đối với nghiên cứu và thiết kế các hệ thống mới theo những ưu thế hiện có của nó trong ngành công nghiệp điện lạnh. Đặc biệt trong ngành công nghiệp thực phẩm vì tính chất an toàn của nó là thân thiện với môi trường và cạnh tranh về chi phí. Hệ thống tăng cường tới hạn trong điều kiện khí hậu lạnh hơn và những tiềm năng của CO2 hệ thống lạnh phân tầng với một hydrocarbon (hoặc một HFC) điều kiện khí hậu ấm hơn, dường như là sự lựa chọn phổ biến. Gần đây các nghiên cứu trên hệ thống phân tầng cho thấy rằng những hệ thống sử dụng CO2 làm môi chất, cho thấy CO2 là môi chất lạnh có hiệu suất tốt hơn 60% so với hệ thống lạnh một cấp thông thường sử dụng R404A tại nhiệt độ thấp.
Santosa và các cộng sự [6] đã tiến hành khảo sát các hệ số truyền nhiệt và môi chất làm lạnh thông thường trong các ống xoắn bằng cách sử dụng mô hình động lực học tính toán (Computational Fluid Dynamics - CFD). Kết quả từ mô hình đã được so sánh với các phép đo thực nghiệm cho thấy một khe ngang trên vây giữa hàng đầu và hàng thứ hai của ống dẫn có thể làm tăng tỷ lệ nhiệt thải của thiết bị ngưng tụ từ 6% đến 8%. Điều 10 Luan van NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: NCS. ĐOÀN MINH HÙNG này có thể dẫn đến diện tích truyền nhiệt, diện tích trao đổi nhiệt nhỏ dẫn đến một lượng nhiệt thải nhất định hoặc là thấp hơn với phía áp suất cao và hiệu quả cao hơn cho hệ thống làm lạnh.
Kết quả của quá trình truyền nhiệt là nguồn tài liệu quý giá cho các nhà nghiên cứu và sản xuất CO2 hoặc các dàn trao đổi nhiệt. Chien [7] và các đồng nghiệp đã tiến hành thực nghiệm nghiên cứu hệ số trao đổi nhiệt bay hơi dòng 2 pha của 3 chất làm lạnh R32 (difluoromethane), CO2 (carbon dioxide) và R290 (propane) trong kênh mini có đường kính trong là 1,5 mm và chiều dài của kênh trong khoảng từ 500 mm đến 2000 mm. Các dữ liệu thực nghiệm được thu thập trong điều kiện mật độ dòng khối từ 150 đến 500 kg/m2, mật độ dòng nhiệt từ 5 đến 20 kW/ m2, nhiệt độ bão hòa là 100C và độ khô từ 0,1. Kết quả cho thấy hệ số trao đổi nhiệt của R290, CO2 và R32 tăng khi mật độ dòng nhiệt tăng.
Điều đó có nghĩa là sự sôi bọt là cơ chế truyền nhiệt chiếm ưu thế. Hơn nữa, lưu lượng khối lượng có ảnh hưởng lớn đến hệ số trao đổi nhiệt của CO2. Yang cùng các cộng sự [8] đã nghiên cứu thiết bị làm mát ống xoắn trong hệ thống bơm nước nóng sử dụng mối chất CO2 bằng cách tiến hành đo thí nghiệm và phân tích lý thuyết hoạt động của hai bộ làm mát không khí dạng ống xoắn áp dụng trong một máy bơm nhiệt sử dụng môi chất CO2. Sử dụng môi chất CO2 để gia nhiệt cho nước.
Bài báo cáo trên đã đưa ra những kết luận chính: Bộ làm mát ống xoắn sử dụng nhiều ống trong hơn sẽ cải thiện nhiệt độ đầu ra của nước hơn và khi tăng áp suất của CO2 vào thiết bị thì nhiệt độ nước sẽ tăng lên. Áp suất CO2 sẽ giảm khi tăng số lượng ống bên trong thiết bị làm mát khí. Nhiệt độ nước ra của bộ làm mát khí có thể tăng lên bằng cách tăng tốc độ làm lạnh, nhiệt độ đầu vào của nước và làm giảm tốc độ dòng nước làm mát. Jin và các cộng sự [9] tiến hành nghiện cứu phát triển mô hình thiết bị hay hơi sử dụng môi chất CO2 trong hệ thống điều hòa không khí.