Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu hiện nay, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường là những vấn đề cấp thiết, đặc biệt trong lĩnh vực điều hòa không khí. Theo ước tính, việc sử dụng các môi chất lạnh thân thiện với môi trường và thiết bị trao đổi nhiệt hiệu quả cao có thể giảm đáng kể tiêu thụ năng lượng và khí thải độc hại. Môi chất CO2 (R744) được xem là một trong những lựa chọn thay thế tiềm năng do có hiệu suất làm lạnh cao, an toàn môi trường và chi phí thấp. Tuy nhiên, các nghiên cứu thực nghiệm về thiết kế dàn bay hơi sử dụng CO2 trong hệ thống điều hòa không khí còn hạn chế, đặc biệt là với công nghệ dàn bay hơi kênh micro có chu trình quá lạnh.

Luận văn này tập trung nghiên cứu tăng hệ số hiệu quả năng lượng (COP) của hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất CO2 với dàn bay hơi kênh micro có chu trình quá lạnh bằng phương pháp thực nghiệm. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2015-2017, với mục tiêu nâng cao hiệu suất truyền nhiệt và tối ưu hóa thiết kế thiết bị bay hơi nhằm giảm tiêu thụ năng lượng và tăng hiệu quả làm lạnh. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần phát triển công nghệ trao đổi nhiệt kênh micro mà còn hỗ trợ ứng dụng rộng rãi môi chất CO2 trong các hệ thống điều hòa không khí thân thiện môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Chu trình lạnh transcritical CO2: Mô hình chu trình điều hòa không khí sử dụng CO2 với các điểm trạng thái nhiệt động lực học được xác định trên đồ thị áp suất-entalpi (p-h). Các phương trình cân bằng năng lượng và khối lượng được áp dụng để tính toán công suất làm lạnh, công suất nén và hệ số COP.

  • Công nghệ trao đổi nhiệt kênh micro: Thiết bị bay hơi kênh micro với kích thước kênh nhỏ giúp tăng cường truyền nhiệt và giảm kích thước thiết bị. Các khái niệm chính bao gồm hệ số truyền nhiệt tổng, độ chênh nhiệt độ trung bình logarit, tổn thất áp suất và ảnh hưởng của hình dạng kênh đến hiệu suất truyền nhiệt.

  • Chu trình quá lạnh (subcooling cycle): Sử dụng thiết bị quá lạnh để hạ nhiệt độ môi chất sau thiết bị làm mát, giúp tăng hiệu suất làm lạnh và hệ số COP của hệ thống.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng gồm: COP (Coefficient of Performance), áp suất bay hơi, áp suất làm mát, nhiệt độ bay hơi, dòng điện máy nén, diện tích mặt cắt van tiết lưu, tổn thất áp suất, và truyền nhiệt khi sôi.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm với hệ thống điều hòa không khí CO2 được lắp đặt tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu là một hệ thống hoàn chỉnh gồm máy nén Dorin CD 180H, thiết bị làm mát, dàn bay hơi kênh micro, van tiết lưu tay và hai thiết bị quá lạnh (S1 và S2).

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập gồm áp suất, nhiệt độ, dòng điện máy nén, công suất làm lạnh, và các thông số vận hành khác được đo bằng đồng hồ áp suất, cặp nhiệt điện kiểu T và thiết bị đo dòng điện.

  • Phương pháp phân tích: Dữ liệu thực nghiệm được so sánh với tính toán lý thuyết dựa trên phần mềm EES để xác định các điểm trạng thái chu trình và tính toán hệ số COP. Các biến số như diện tích mặt cắt van tiết lưu được thay đổi để khảo sát ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình thiết kế, lắp đặt hệ thống và thu thập dữ liệu thực nghiệm diễn ra trong khoảng thời gian từ tháng 10/2015 đến tháng 4/2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tăng hệ số COP với thiết bị quá lạnh S2: Thiết bị quá lạnh S2 với diện tích truyền nhiệt gấp đôi S1 đạt hệ số COP 7,2, cao hơn đáng kể so với S1. Áp suất bay hơi, áp suất làm mát, nhiệt độ ra khỏi thiết bị quá lạnh và dòng điện máy nén tương ứng lần lượt là 44 bar, 75 bar, 26ºC và 2,4 A.

  2. Ảnh hưởng diện tích mặt cắt van tiết lưu: Khi diện tích mặt cắt van tiết lưu giảm từ 8,195 mm² xuống 0,091 mm², áp suất làm mát tăng, áp suất bay hơi giảm, công suất máy nén tăng. Đặc biệt, khi diện tích nhỏ hơn 0,4 mm², sự chênh lệch áp suất và dòng điện máy nén tăng mạnh.

  3. Biến thiên nhiệt độ bay hơi và độ quá nhiệt: Nhiệt độ bay hơi giảm từ 18,4ºC xuống 7,3ºC và độ quá nhiệt giảm từ 3,4ºC xuống 1,1ºC khi diện tích mặt cắt van tiết lưu giảm từ 3,825 mm² xuống 0,091 mm².

  4. Hiệu suất làm lạnh và công suất máy nén: Công suất làm lạnh đạt 168,45 kJ/kg, công suất máy nén là 23,99 kJ/kg, dẫn đến hệ số COP trung bình là 7,01, cao hơn nhiều so với các nghiên cứu quốc tế trước đây.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm cho thấy việc sử dụng thiết bị quá lạnh có diện tích truyền nhiệt lớn hơn (S2) giúp tăng hiệu quả làm lạnh và hệ số COP của hệ thống điều hòa không khí CO2. Điều này phù hợp với lý thuyết rằng quá trình quá lạnh làm giảm nhiệt độ môi chất trước khi tiết lưu, từ đó tăng công suất làm lạnh và giảm công suất tiêu thụ máy nén.

Sự thay đổi diện tích mặt cắt van tiết lưu ảnh hưởng rõ rệt đến áp suất và công suất máy nén, cho thấy việc tối ưu kích thước van tiết lưu là yếu tố quan trọng để cân bằng hiệu suất và tổn thất áp suất trong hệ thống. Đặc biệt, khi diện tích van quá nhỏ, tổn thất áp suất và công suất tiêu thụ tăng mạnh, làm giảm hiệu quả hệ thống.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hệ số COP đạt được trong nghiên cứu này vượt trội hơn, minh chứng cho hiệu quả của việc kết hợp dàn bay hơi kênh micro với chu trình quá lạnh trong hệ thống điều hòa không khí CO2. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ p-h thể hiện các điểm trạng thái chu trình, biểu đồ biến thiên áp suất và công suất máy nén theo diện tích van tiết lưu, cũng như bảng so sánh hệ số COP với các nghiên cứu khác.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường sử dụng thiết bị quá lạnh có diện tích truyền nhiệt lớn: Khuyến khích áp dụng thiết bị quá lạnh tương tự S2 để nâng cao hệ số COP, giảm tiêu thụ năng lượng trong hệ thống điều hòa không khí CO2. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; Chủ thể: Các nhà sản xuất thiết bị lạnh và các trung tâm nghiên cứu.

  2. Tối ưu kích thước van tiết lưu: Thiết kế van tiết lưu với diện tích mặt cắt phù hợp (không nhỏ hơn 0,4 mm²) để giảm tổn thất áp suất và công suất tiêu thụ máy nén, đảm bảo hiệu suất hệ thống. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng; Chủ thể: Kỹ sư thiết kế và nhà sản xuất van tiết lưu.

  3. Phát triển dàn bay hơi kênh micro với vật liệu và cấu trúc tối ưu: Nghiên cứu thêm về vật liệu và hình dạng kênh micro để tăng cường truyền nhiệt và giảm tổn thất áp suất, từ đó nâng cao hiệu quả làm lạnh. Thời gian thực hiện: 12-18 tháng; Chủ thể: Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ lạnh.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức về công nghệ CO2 và thiết bị microchannel: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư và kỹ thuật viên về vận hành, bảo trì hệ thống điều hòa không khí CO2 sử dụng dàn bay hơi kênh micro và chu trình quá lạnh. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: Các trường đại học, trung tâm đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích chi tiết về hệ thống điều hòa không khí CO2, hỗ trợ nghiên cứu phát triển công nghệ lạnh thân thiện môi trường.

  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm điều hòa không khí: Thông tin về ảnh hưởng của thiết bị quá lạnh và van tiết lưu giúp tối ưu thiết kế hệ thống, nâng cao hiệu suất và giảm chi phí vận hành.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị lạnh và điều hòa không khí: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để ứng dụng công nghệ dàn bay hơi kênh micro và môi chất CO2 trong sản phẩm mới, đáp ứng yêu cầu tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng, môi trường: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách khuyến khích sử dụng công nghệ lạnh thân thiện môi trường, góp phần giảm phát thải khí nhà kính.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao môi chất CO2 được ưu tiên trong nghiên cứu điều hòa không khí?
    CO2 có hiệu suất làm lạnh cao, áp suất làm việc gần mức tối ưu kinh tế, không gây suy giảm tầng ozone và có GWP thấp, phù hợp với xu hướng bảo vệ môi trường hiện nay.

  2. Thiết bị quá lạnh có vai trò gì trong hệ thống?
    Thiết bị quá lạnh giúp hạ nhiệt độ môi chất sau thiết bị làm mát, tăng công suất làm lạnh và giảm công suất tiêu thụ máy nén, từ đó nâng cao hệ số COP của hệ thống.

  3. Ảnh hưởng của diện tích mặt cắt van tiết lưu đến hiệu suất hệ thống như thế nào?
    Diện tích van tiết lưu nhỏ làm tăng tổn thất áp suất và công suất tiêu thụ máy nén, giảm hiệu suất hệ thống. Kích thước van cần được tối ưu để cân bằng hiệu suất và tổn thất.

  4. Dàn bay hơi kênh micro có ưu điểm gì so với dàn bay hơi truyền thống?
    Dàn bay hơi kênh micro có diện tích trao đổi nhiệt lớn, tăng cường truyền nhiệt, giảm kích thước thiết bị và tổn thất áp suất, giúp nâng cao hiệu quả làm lạnh.

  5. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng thực tế như thế nào?
    Kết quả giúp thiết kế và vận hành hệ thống điều hòa không khí CO2 hiệu quả hơn, giảm tiêu thụ năng lượng và phát thải, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp và dân dụng hiện đại.

Kết luận

  • Nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh thiết bị quá lạnh S2 giúp tăng hệ số COP lên đến 7,2, vượt trội so với các nghiên cứu trước đây.
  • Diện tích mặt cắt van tiết lưu ảnh hưởng lớn đến áp suất, công suất máy nén và hiệu suất hệ thống, cần được tối ưu hợp lý.
  • Dàn bay hơi kênh micro kết hợp với chu trình quá lạnh là giải pháp hiệu quả để nâng cao hiệu suất truyền nhiệt và tiết kiệm năng lượng trong hệ thống điều hòa không khí CO2.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực nghiệm quan trọng cho phát triển công nghệ lạnh thân thiện môi trường.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mô phỏng và mở rộng ứng dụng thực tế trong các hệ thống điều hòa không khí công nghiệp và dân dụng.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên áp dụng kết quả này để phát triển sản phẩm và công nghệ mới, đồng thời tổ chức đào tạo nâng cao năng lực vận hành hệ thống CO2 hiệu quả.