Chương I TỔNG QUAN 1. Tính cấ p thiế t của đề tài Tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường đi đôi với giảm kích thước thiết bị là vấn đề thời sự của toàn cầu. Đặc biệt, các chất làm lạnh thân thiện với môi trường và trao đổi nhiệt hiệu quả cao được các nhà khoa học trên thế giới đã và đang đẩy mạnh. Với những tiến bộ trong công nghệ vi chế tạo cùng với công nghệ vật liệu mới, những thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro ra đời đã đáp ứng được điều này và được các nhà khoa học nghiên cứu áp dụng vào rất nhiều lĩnh vực.
Trong ngành lạnh nói chung hay trong lĩnh vực điều hòa không khí nói riêng, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu công nghệ micro với những môi chất khác nhau như các halocarbon hay các môi chất lạnh tự nhiên. Tuy nhiên sau khi Nghị định thư Montreal về các chất làm suy giảm tầng Ozone, là một hiệp ước quốc tế được thiết kế để bảo vệ tầng ozone, việc đưa các môi chất tự nhiên vào trong kỹ thuật lạnh đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu áp dụng. Những nghiên cứu chỉ ra rằng, môi chất CO2 (R744) đã được xem là chất làm lạnh thay thế hứa hẹn nhất do hiệu quả cao và an toàn môi trường. Tuy nhiên cho tới nay các nghiên cứu về công nghệ thiết kế thiết bị bay hơi sử dụng môi chất CO2 bằng phương pháp thực nghiệm còn rất hạn chế, nắm bắt được tình hình đó đề tài này xin đi vào tìm hiểu quá trình trao đổi nhiệt của môi chất CO2 trong dàn bay hơi kênh micro cho hệ thống điều hòa không khí.
Đề tài này đi vào nghiên cứu tăng COP (Coefficient Of Performance) của hệ thống điều hòa không khí CO2 với dàn bay hơi kênh micro có chu trình quá lạnh bằng thực nghiệm. Kết quả này sẽ bổ sung hữu ích cho sự phát triển công nghệ trao đổi nhiệt kênh micro đặc biệt là với môi chất CO2, để nâng cao hiệu suất truyền nhiệt và tối ưu hóa hình dạng, kích thước của thiết bị bay hơi trong tương lai và thân thiện với môi trường. 1 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS. Đặng Thành Trung 1.
Tổng quan các nghiên cứu liên quan Nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt về tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới, nghiên cứu thực hiện. Cùng với tình hình nghiên cứu của thế giới, các nhà khoa học ở Việt Nam cũng đã có những nghiên cứu đóng góp về lĩnh vực này và có những thành tích nhất định. Để có thêm cơ sở thực hiện đề tài, các bài báo của các nhà khoa học trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài đã được tìm hiểu. Nghiên cứu ngoài nước 1.
Các nghiên cứu về môi chất lạnh tự nhiên Liên quan đến việc sử dụng môi chất lạnh tự nhiên là một giải pháp hoàn hảo để thay thế cho CFC/HCFC được thực hiện bởi Lorentzen [1]. Trong nghiên cứu tác giả đã cho rằng việc sử dụng CO2 với hệ thống điều hòa không khí đã tiết kiệm năng lượng khoảng 20% so với việc sử dụng môi chất R12 ở cùng nhiệt độ. Ngoài ra tác giả còn đưa ra một số lợi thế khi sử dụng môi chất CO2 như áp suất làm việc gần với mức tối ưu về kinh tế; kích thước của thiết bị nhỏ gọn; tỉ lệ nén thấp hơn nhiều so với chất làm lạnh thông thường; hoàn toàn tương thích với chất bôi trơn thông thường và vật liệu chế tạo phổ biến, sẵn có ở khắp mọi nơi; giá cả rất thấp; vận hành và bảo trì đơn giản, công suất làm lạnh lớn. Bên cạnh đó Kuang cùng cộng sự [2] đã có một đánh giá toàn diện các mối tương quan cho truyền nhiệt siêu tới hạn của CO2 trong kênh micro cũng như so sánh những tương quan này với các dữ liệu xác định từ thực nghiệm.
Từ đó dự đoán hệ số truyền nhiệt về sự làm lạnh siêu tới hạn của hơi CO2 trong kênh micro. Phạm vi sai số là 15% với hầu hết (91%) các dữ liệu thí nghiệm trong thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro với 11 rãnh kênh micro với đường kính trong 0,79 mm trong khoảng áp suất từ 8 đến 10 Mpa và lưu lượng khối lượng là 300 đến 1200 kg/m2s. Nghiên cứu ưu điểm về đặc tính kỹ thuật của CO2 như hệ số truyền nhiệt cao trong vùng siêu tới hạn đã được thực hiện bởi Kim cùng cộng sự [3], tại áp suất cao kết hợp với khối lượng riêng thấp đã giúp cho kích thước các thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ gọn. 2 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.
Đặng Thành Trung Ngoài ra Zhao và Bansal [4] đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính truyền nhiệt khi sôi và các tính chất nhiệt vật lý của CO2 tại nhiệt độ thấp (-30oC), trong một ống nằm ngang với đường kính trong 4,57 mm, như được thể hiện ở hình 1. Kết quả của nghiên cứu là hệ số truyền nhiệt thấp, nhưng lại làm tăng chất lượng hơi nước. Điều này trái với các nghiên cứu về nhiệt độ sôi trên 0oC. Sơ đồ thực nghiệm về đặc tính truyền nhiệt khi sôi và các tính chất nhiệt vật lý của CO2.
Bằng phương pháp mô phỏng sử dụng chương trình Excel mở rộng. Baheta cùng cộng sự [5] đã nghiên cứu hiệu suất của chu kỳ lạnh transcritical cho CO2 (R- 744). Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng chu trình phù hợp cho các ứng dụng điều hòa không khí hơn so với chu kỳ làm lạnh, bởi vì hệ số COP tăng rất nhiều khi nhiệt độ thiết bị bay hơi tăng. Từ các nghiên cứu trên ta thấy được những ưu điểm của CO2 là rất đáng kể và đặc biệt là sử dụng tốt trong các ứng dụng điều hòa không khí.
Tuy nhiên các nghiên cứu trên chưa đi và nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng và kích thước thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro có cánh, sử dụng môi chất CO2 cho hệ thống điều hòa không khí.1 thể hiện tóm tắt các nghiên cứu về môi chất lạnh tự nhiên. 3 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS. Đặng Thành Trung Bảng 1. Tóm tắt các nghiên cứu về môi chất lạnh tự nhiên Tài liệu Vật liệu/ Lưu Lưu lượng Truyền nhiệt Tổn thất áp tham Hình chất làm chất lỏng suất khảo dạng việc Lorentzen Hệ thống CFC, Không CO2 tiết kiệm năng Áp suất làm [1] bơm nhiệt HCFC, lượng khoảng 20% việc CO2 gần HFC, so với môi chất R12 với mức tối NH3, CO2 ưu về kinh tế Kuang Kênh micro CO2 300 – 1200 Chỉ số Nu từ 20 đến 8 – 10Mpa cùng cộng d = 0,79 kg/m2s 250 sự [2] mm Zhao và Thép không CO2 139,5 – 230,9 Ở dải nhiệt độ thấp Không Bansal [3] gỉ kg/m2s hệ số truyền nhiệt d = 4,57 thấp hơn so với các mm nghiên cứu nhiệt độ trên 0oC Baheta Kênh micro CO2 Không Hệ số COP đạt cao Áp suất làm cùng cộng d = 0,8 mm nhất 3,24 việc 10 MPa sự [4] 1.
Các nghiên cứu về truyền nhiệt micro Về lĩnh vực truyền nhiệt, bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn là ứng cử viên trong tương lai. Khái niệm làm mát của tản nhiệt vi kênh lần đầu tiên được giới thiệu bởi Tuckerman và Pease [8]. Kể từ đó, truyền nhiệt và các đặc tính dòng chảy chất lỏng trong kênh micro và tản nhiệt vi kênh đã được nghiên cứu rộng rãi. Bằng phương pháp mô phỏng số và kiểm chứng với thực nghiệm, Dang và Teng [5] đã nghiên cứu so sánh truyền nhiệt và tổn thất áp suất của bộ trao đổi nhiệt kênh micro và kênh mini.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, nhiệt lượng thu được của kênh micro cao hơn nhiều so với kênh mini. Tuy nhiên tổn thất áp suất của kênh micro cũng cao hơn kênh mini. Bên cạnh đó Huang cùng cộng sự [6] cũng đã nghiên cứu về dòng chất lỏng không tuyến tính và những thay đổi nhiệt độ bề mặt bên trong kênh micro bằng kỷ thuật cảm 4 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS. Đặng Thành Trung biến nhiệt độ phân tử.
Kết quả thu được, tại chỉ số Reynolds thấp, nhiệt độ tăng mạnh ở lối vào kênh micro, xảy ra ở 1/8 chiều dài kênh. Ngoài ra Dang cùng cộng sự [7] đã nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro bằng phương pháp mô phỏng 3D sử dụng phần mềm Comsol, kết hợp với thực nghiệm với dòng lưu chất một pha bên trong các kênh micro, như được thể hiện ở hình 1. Kết quả thu được là, khi nước từ phía nóng của thiết bị có nhiệt độ đầu vào 70oC, lưu lượng khối lượng 0,2503 g/s và nước từ phía lạnh có nhiệt độ đầu vào 21,5oC, lưu lượng khối lượng 0,2906 g/s thì mật độ dòng nhiệt thu được 17,38 x 104 W/m2 (hoặc 17,38 W/cm2). Hơn nữa, nghiên cứu cũng cho thấy rằng, ảnh hưởng của lực trọng trường trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro là không đáng kể.
Nghiên cứu cũng kết luận rằng, có sự đồng nhất giữa kết quả mô phỏng số và kết quả thực nghiệm và sự chênh lệch giữa hai phương pháp nghiên cứu này thấp hơn 9%. Sơ đồ thực nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro Bằng phương pháp mô phỏng số Xia và Chan [8] đã nghiên cứu về hiệu quả của việc sử dụng kênh micro để tăng cường truyền nhiệt. Trong nghiên cứu này diện 5 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS. Đặng Thành Trung tích đầu vào của kênh micro được thay đổi để kiểm tra khả năng hấp thụ nhiệt.
Kết quả nghiên cứu cho thấy khi giảm kích thước đầu vào mỗi kênh thì tốc độ truyền nhiệt tăng lên và tổn thất áp suất cũng giảm đi. Asadi cùng cộng sự [9] cũng đã nghiên cứu và đưa ra những kết quả nâng cao hiệu suất nhiệt của kênh micro. Kích thước nhỏ của kênh micro có khả năng tiêu tán nhanh hơi nóng, là một trong những sự lựa chọn tốt nhất để giải nhiệt các thiết bị điện tử. Trong bài báo này, đánh giá toàn diện về các cơ chế truyền nhiệt và tổn thất áp suất trong kênh micro bằng nhiều phương pháp khác nhau dựa vào đặc điểm hình dáng kênh và chế độ dòng chảy bên trong kênh micro.
Từ các nghiên cứu trên ta thấy thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro cho hiệu quả truyền nhiệt cao mà tổn thất áp suất qua kênh không đáng kể. Vì vậy thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro nên được lựa chọn cho các hệ thống mà nhiệt lượng cao là cần thiết.