Đồ án làm mát phụ cho hệ thống điều hòa không khí CO2 bằng nước ngưng ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Nghiên cứu thực nghiệm quá trình làm mát phụ cho hệ thống điều hòa không khí CO2 bằng nước ngưng, nâng cao hiệu suất lạnh và tiết kiệm năng lượng hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Như Ý
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Đặng Thành Trung
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh
• Đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm quá trình làm mát phụ cho hệ thống điều hòa không khí CO2 bằng nước ngưng
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về làm mát phụ hệ thống điều hòa CO2

Hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất CO2 (R744) ngày càng được quan tâm trong lĩnh vực kỹ thuật lạnh hiện đại. CO2 là môi chất tự nhiên, không gây hại tầng ozone, có chỉ số GWP thấp. Đây là ưu điểm lớn so với các môi chất tổng hợp truyền thống. Tuy nhiên, áp suất làm việc của chu trình CO2 rất cao. Điều này đặt ra thách thức về thiết kế và vận hành thiết bị. Giải pháp làm mát phụ bằng nước ngưng được nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu suất chu trình. Nước ngưng tụ từ dàn lạnh được tận dụng để hạ nhiệt độ môi chất trước khi vào van tiết lưu. Quá trình này giúp tăng hiệu quả làm lạnh mà không tiêu thụ thêm năng lượng đáng kể. Nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã thực hiện đề tài này dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đặng Thành Trung. Thực nghiệm được tiến hành tại phòng lab khoa Cơ khí Động lực năm 2023. Kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở khoa học quan trọng cho việc ứng dụng CO2 trong hệ thống điều hòa thương mại tại Việt Nam.

1.1. Lý do chọn môi chất CO2 trong hệ thống điều hòa

CO2 là môi chất lạnh tự nhiên với ODP = 0 và GWP = 1, thấp hơn nhiều so với HFC truyền thống. Môi chất này không cháy, không độc và có sẵn trong tự nhiên. Các quy định quốc tế ngày càng siết chặt việc sử dụng môi chất gây hiệu ứng nhà kính. CO2 đáp ứng xu hướng phát triển bền vững toàn cầu. Mật độ thể tích lớn của CO2 giúp giảm kích thước thiết bị. Đây là ưu điểm quan trọng cho các hệ thống điều hòa thương mại và công nghiệp hiện đại.

1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trên thế giới, nhiều nghiên cứu về hệ thống lạnh CO2 đã được công bố từ thập niên 1990. Các nhà khoa học tập trung vào cải thiện COP của chu trình siêu tới hạn. Tại Việt Nam, nghiên cứu về CO2 còn hạn chế do điều kiện khí hậu nhiệt đới khắc nghiệt. Nhiệt độ môi trường cao làm giảm hiệu suất hệ thống CO2 đáng kể. Đề tài tại ĐH SPKT TP.HCM là một trong số ít công trình thực nghiệm trong nước về giải pháp làm mát phụ để cải thiện hiệu quả vận hành hệ thống CO2 trong điều kiện khí hậu nhiệt đới.

II. Phân tích vấn đề hiệu suất hệ thống điều hòa CO2

Chu trình lạnh CO2 vận hành ở dải áp suất rất cao, thường từ 30 đến 120 bar. Đặc điểm này gây khó khăn cho quá trình ngưng tụ ở điều kiện khí hậu nóng ẩm như TP.HCM. Nhiệt độ môi trường cao làm tăng nhiệt độ ngưng tụ, dẫn đến giảm hệ số hiệu năng COP của hệ thống. Chu trình CO2 thường vận hành ở chế độ siêu tới hạn khi nhiệt độ môi trường vượt 31,1°C. Trong điều kiện này, quá trình thải nhiệt xảy ra tại gas cooler thay vì thiết bị ngưng tụ thông thường. Nhiệt độ đầu ra của gas cooler ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất lạnh và hiệu suất toàn hệ thống. Nếu nhiệt độ môi chất sau gas cooler còn cao, hiệu quả làm lạnh tại van tiết lưu giảm rõ rệt. Đây chính là vấn đề cốt lõi cần giải quyết. Nước ngưng tụ từ dàn lạnh có nhiệt độ thấp hơn môi trường, từ 10 đến 18°C. Tận dụng nguồn nhiệt thấp này để làm mát thêm môi chất là giải pháp hiệu quả và kinh tế. Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng mức độ cải thiện COP khi áp dụng kỹ thuật này trong điều kiện thực tế.

2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến hiệu suất CO2

Khi nhiệt độ môi trường tăng, áp suất phía cao áp của chu trình CO2 tăng theo. Điều này làm tăng công nén và giảm năng suất lạnh hữu ích. Tại TP.HCM, nhiệt độ trung bình năm khoảng 27-35°C khiến hệ thống CO2 thường xuyên vận hành ở chế độ siêu tới hạn. Hiệu suất hệ thống trong điều kiện này thấp hơn đáng kể so với khí hậu ôn đới. Đây là thách thức lớn khi ứng dụng công nghệ CO2 tại các nước nhiệt đới như Việt Nam.

2.2. Vai trò của nhiệt độ đầu ra gas cooler đối với COP

Nhiệt độ môi chất tại đầu ra gas cooler là thông số quyết định hiệu suất chu trình siêu tới hạn CO2. Giảm nhiệt độ này xuống 1°C có thể tăng COP từ 1 đến 3%. Các nghiên cứu quốc tế chỉ ra rằng tối ưu hóa nhiệt độ này là hướng ưu tiên hàng đầu. Thiết bị trao đổi nhiệt bổ sung hoặc nguồn làm mát phụ như nước ngưng có thể đóng vai trò quan trọng trong việc hạ thấp nhiệt độ đầu ra gas cooler, từ đó cải thiện đáng kể hệ số COP tổng thể.

III. Giải pháp làm mát phụ bằng nước ngưng cho hệ CO2

Giải pháp làm mát phụ bằng nước ngưng tụ khai thác nguồn nhiệt thấp sẵn có ngay trong hệ thống. Nước ngưng được thu gom từ khay hứng nước của dàn lạnh. Nhiệt độ nước ngưng thường dao động từ 10 đến 18°C, thấp hơn nhiều so với nhiệt độ môi trường. Nước này được bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt bổ sung, lắp đặt sau gas cooler. Môi chất CO2 sau gas cooler được làm mát thêm trước khi đi vào van tiết lưu. Quá trình này giúp giảm enthalpy của môi chất lỏng, tăng hiệu ứng lạnh thực sự tại dàn bay hơi. Hệ thống thực nghiệm được thiết kế và lắp đặt tại phòng lab khoa Cơ khí Động lực, ĐH SPKT TP.HCM. Các thiết bị đo lường bao gồm cảm biến nhiệt độ PT100, đồng hồ áp suất cơ và bộ xử lý tín hiệu MX100. Số liệu được ghi nhận liên tục và xử lý bằng phần mềm chuyên dụng. Kết quả thực nghiệm cho thấy giải pháp này mang lại cải thiện rõ rệt về COP mà không cần thêm thiết bị phức tạp hay tốn kém. Đây là hướng ứng dụng thực tiễn cao trong điều kiện khí hậu nhiệt đới.

3.1. Thiết kế hệ thống thực nghiệm và thiết bị đo lường

Hệ thống thực nghiệm bao gồm máy nén CO2, gas cooler, thiết bị làm mát phụ, van tiết lưu và dàn bay hơi. Mười đầu cảm biến nhiệt độ PT100 được phân bố tại các điểm quan trọng trên hệ thống. Bộ xử lý tín hiệu MX100 kết nối với máy tính để ghi nhận và hiển thị dữ liệu theo thời gian thực. Đồng hồ đo áp suất cơ và module Arduino với cảm biến Sensys đảm bảo độ chính xác cao trong đo đạc áp suất tại các điểm nút của chu trình lạnh CO2.

3.2. Phương pháp tính toán và đánh giá hiệu quả hệ thống

Hiệu quả hệ thống được đánh giá thông qua hệ số hiệu năng COP và năng suất lạnh thực đo. Công thức tính toán dựa trên lý thuyết truyền nhiệt đối lưu và phương trình cân bằng năng lượng. Hệ số Nusselt được sử dụng để xác định cường độ trao đổi nhiệt trong thiết bị làm mát phụ. Dữ liệu thực nghiệm được so sánh với kết quả tính toán lý thuyết. Sai lệch giữa lý thuyết và thực nghiệm được phân tích để đánh giá độ tin cậy của mô hình tính toán thiết kế.

IV. Kết quả và ứng dụng thực tiễn tại ĐH SPKT TP

Kết quả thực nghiệm xác nhận hiệu quả của giải pháp làm mát phụ bằng nước ngưng cho hệ thống điều hòa CO2. Khi áp dụng làm mát phụ, nhiệt độ môi chất trước van tiết lưu giảm đáng kể so với trường hợp không có thiết bị bổ sung. Sự giảm nhiệt độ này trực tiếp làm tăng năng suất lạnh và cải thiện COP của toàn hệ thống. Mức cải thiện COP ghi nhận được trong điều kiện thực nghiệm tại TP.HCM dao động từ 5 đến 15% tùy theo điều kiện vận hành. Giải pháp này không yêu cầu nguồn năng lượng bổ sung, chỉ tận dụng nước ngưng sẵn có. Chi phí đầu tư thiết bị trao đổi nhiệt phụ thấp so với lợi ích năng lượng mang lại. Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng thực tiễn cho các hệ thống lạnh thương mại sử dụng CO2 tại Việt Nam. Kết quả cũng đóng góp vào cơ sở dữ liệu nghiên cứu khoa học trong nước về môi chất lạnh tự nhiên. Đề tài được thực hiện bởi nhóm sinh viên khoa Cơ khí Động lực dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đặng Thành Trung. Công trình này là nền tảng để phát triển các nghiên cứu chuyên sâu hơn trong tương lai.

4.1. Mức độ cải thiện COP và năng suất lạnh thực đo

Số liệu thực nghiệm cho thấy COP hệ thống tăng rõ rệt khi bật chế độ làm mát phụ bằng nước ngưng. Năng suất lạnh hữu ích tăng do enthalpy môi chất lỏng giảm trước tiết lưu. Đồng thời công nén không thay đổi đáng kể, nên hiệu suất tổng thể được cải thiện. Mức cải thiện phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và lưu lượng nước ngưng thu được. Kết quả này chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm tại TP.HCM.

4.2. Tiềm năng ứng dụng và định hướng phát triển tiếp theo

Giải pháp làm mát phụ bằng nước ngưng có thể ứng dụng cho các hệ thống lạnh thương mại, siêu thị và kho lạnh sử dụng CO2. Chi phí vận hành thấp và tác động môi trường tối thiểu là ưu điểm nổi bật. Các nghiên cứu tiếp theo nên mở rộng sang điều kiện tải lạnh thay đổi và thời gian vận hành dài hơn. Tích hợp giải pháp này với hệ thống thu hồi nhiệt thải sẽ tối ưu hóa hơn nữa hiệu quả năng lượng tổng thể của hệ thống lạnh CO2 trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt - Điện lạnh giữ vai trò thiết yếu trong hoạt động công nghiệp và đời sống xã hội. Tuy nhiên, sự phát triển của các hệ thống điều hòa không khí và làm lạnh truyền thống đang đối mặt với những thách thức môi trường nghiêm trọng. Phần lớn các chất làm lạnh tổng hợp thuộc nhóm CFC, HCFC và HFC có chỉ số làm nóng lên toàn cầu (GWP - Global Warming Potential) rất cao và gây suy giảm tầng ozone (thông qua chỉ số ODP - Ozone Depletion Potential). Thống kê thực tế cho thấy tỷ lệ rò rỉ môi chất lạnh trong quá trình vận hành dao động từ 5% đến 23% mỗi năm, trực tiếp làm gia tăng lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính vào khí quyển.

Tại Việt Nam, phần lớn công nghệ và thiết bị lạnh tiên tiến vẫn phụ thuộc vào chuyển giao từ các tập đoàn nước ngoài, trong khi các công bố khoa học trong nước về ứng dụng môi chất lạnh tự nhiên còn rất hạn chế. Để giải quyết bài toán môi trường và từng bước làm chủ công nghệ, môi chất lạnh tự nhiên R744 ($CO_2$) trở thành giải pháp thay thế tối ưu nhờ các đặc tính: chỉ số ODP bằng 0, chỉ số GWP bằng 1, không độc hại, không cháy nổ và nguồn khí có sẵn trong tự nhiên. Mặc dù chu trình làm lạnh $CO_2$ sở hữu tiềm năng lớn trong các ứng dụng làm lạnh sâu công nghiệp và tàu cá, việc ứng dụng vào hệ thống điều hòa không khí thông thường gặp rào cản do áp suất làm việc rất cao và hiện tượng suy giảm hiệu suất năng lượng khi nhiệt độ môi trường tăng.

Kế thừa kết quả từ đề tài "Nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm quá trình làm mát $CO_2$ bằng nước trong thiết bị ngưng tụ" của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, nhóm tác giả đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với hướng tiếp cận cải tiến: trang bị thêm đường ống làm mát phụ tận dụng nước ngưng từ dàn bay hơi để giải nhiệt cho dòng môi chất $CO_2$ lỏng trước khi vào van tiết lưu. Giải pháp này nhằm mục đích gia tăng độ quá lạnh của môi chất, hạ enthalpy đầu vào dàn lạnh và nâng cao hệ số làm lạnh (COP) của toàn hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể:

1. Tính toán lý thuyết và thiết kế hoàn chỉnh hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất lạnh $CO_2$ chu trình một cấp nén làm việc ở vùng dưới tới hạn.
2. Xây dựng, lắp đặt mô hình thực nghiệm hệ thống lạnh $CO_2$ kết hợp cụm đường ống làm mát phụ giải nhiệt bằng nước ngưng.
3. Vận hành và thu thập số liệu thực nghiệm nhằm đánh giá hiệu quả quá trình làm mát phụ trong các điều kiện kích thước đường ống khác nhau (8 mm và 10 mm).
4. Phân tích, so sánh các thông số nhiệt động giữa tính toán lý thuyết với thực nghiệm và đối chiếu với các công bố khoa học liên quan.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Các thiết bị chính trong hệ thống điều hòa không khí gồm máy nén lạnh, thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước, van tiết lưu tay, thiết bị bay hơi dạng ống đồng cánh nhôm, đường ống làm mát phụ bằng nước ngưng; môi chất lạnh $CO_2$ (R744); nước giải nhiệt; cùng các thông số nhiệt động của chu trình (áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, enthalpy, công suất lạnh $Q_0$, công nén $L$, công suất nhiệt ngưng tụ $Q_k$, hệ số làm lạnh $\varepsilon$).
• Phạm vi nghiên cứu: Mô hình được thiết kế, gia công và thử nghiệm thực tế tại Phòng thí nghiệm Truyền nhiệt thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Các thông số vận hành danh định bao gồm: năng suất lạnh thiết kế $Q_0 = 1\text{ kW}$, nhiệt độ nước giải nhiệt trung bình $28,5^\circ\text{C}$, điều kiện môi trường khảo sát thực tế tại Thành phố Hồ Chí Minh với nhiệt độ $t_{\text{mt}} = 33 \pm 2^\circ\text{C}$ và độ ẩm tương đối $\varphi_{\text{mt}} = 74 \pm 2%$.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án được xây dựng dựa trên các định luật nhiệt động lực học và lý thuyết truyền nhiệt truyền thống:

• Lý thuyết truyền nhiệt: Phân tích ba phương thức truyền nhiệt cơ bản gồm dẫn nhiệt (tuân theo định luật Fourier $q_x = -\lambda \cdot \frac{\partial T}{\partial x}$), trao đổi nhiệt đối lưu (định luật làm nguội Newton $Q = \alpha \cdot F \cdot (t_w - t_f)$) và bức xạ nhiệt.
• Tính toán hệ số truyền nhiệt: Thiết lập hệ số truyền nhiệt qua vách kim loại dựa trên các số không thứ nguyên:
  • Chuẩn số Nusselt: $\text{Nu} = \frac{h \cdot L}{k}$
  • Chuẩn số Reynolds: $\text{Re} = \frac{\rho \cdot U \cdot L}{\mu}$
  • Chuẩn số Prandtl: $\text{Pr} = \frac{\mu \cdot C_p}{k}$
  • Chuẩn số Rayleigh: $\text{Ra} = \text{Gr} \cdot \text{Pr} = \frac{\rho^2 \cdot g \cdot C_p \cdot \Delta T \cdot L^3}{\eta \cdot k}$ Đối với quá trình nước chảy ngang qua chùm ống của thiết bị ngưng tụ khi $\text{Re}_f < 10^3$, chuẩn số Nusselt được xác định qua biểu thức: $\text{Nu}_f = 0,56 \cdot \text{Re}_f^{0,5} \cdot \text{Pr}_f^{0,36} \cdot \left(\frac{\text{Pr}_f}{\text{Pr}w}\right)^{0,25} \cdot \varepsilon_s \cdot \varepsilon\psi$.
• Lý thuyết thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt: Sử dụng phương pháp hiệu số nhiệt độ trung bình logarit (LMTD - Log Mean Temperature Difference) để xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết theo phương trình truyền nhiệt tổng quát $Q = k \cdot F \cdot \Delta t_{\text{tb}}$.
• Lý thuyết chu trình lạnh $CO_2$ dưới tới hạn: Chu trình làm việc một cấp nén hoạt động dưới điểm tới hạn của $CO_2$ ($P_{\text{th}} = 73,6\text{ bar}$, $t_{\text{th}} = 31^\circ\text{C}$). Môi chất ở trạng thái hơi sau khi ra khỏi dàn bay hơi được nén đoạn nhiệt lên áp suất ngưng tụ, giải nhiệt đẳng áp với nước tuần hoàn để chuyển pha lỏng, tiếp tục nhả nhiệt cho nước ngưng tại ống làm mát phụ, qua van tiết lưu đẳng enthalpy để hạ áp suất xuống áp suất bay hơi và nhận nhiệt của môi trường cần làm mát tại dàn bay hơi.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết và khảo sát thực nghiệm:

• Phương pháp tính toán nhiệt động và thiết kế: Ứng dụng bảng tra thông số nhiệt động của môi chất $CO_2$ (R744) trên đường bão hòa để tính toán các điểm nút của chu trình lý thuyết và kích thước hình học của từng thiết bị.
• Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo hoàn thiện mô hình cơ khí, bố trí hệ thống cảm biến đo lường áp suất, nhiệt độ, lưu lượng và vận hành hệ thống dưới các chế độ làm mát phụ khác nhau.
• Phương pháp thu thập và xử lý tín hiệu: Tín hiệu nhiệt độ được đo tự động qua đầu dò nhiệt kết nối bộ xử lý trung tâm; tín hiệu áp suất được chuyển đổi thông qua cảm biến áp suất công nghiệp và bộ vi điều khiển hiển thị kỹ thuật số.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống điều hòa không khí $CO_2$ được thiết kế và lắp đặt hoàn chỉnh phục vụ nghiên cứu thực nghiệm với các thông số kỹ thuật được xác lập như sau:

Thông số thiết kế	Ký hiệu	Giá trị tính toán / lựa chọn	Đơn vị
Năng suất lạnh yêu cầu	$Q_0$	$1000$	$\text{W}$
Nhiệt độ bay hơi	$t_0$	$10$	$^\circ\text{C}$
Áp suất bay hơi	$P_0$	$45$	$\text{bar}$
Nhiệt độ ngưng tụ	$t_k$	$30$	$^\circ\text{C}$
Áp suất ngưng tụ	$P_k$	$72$	$\text{bar}$
Tỉ số nén	$\pi$	$1,6$	-
Nhiệt độ nước làm mát tuần hoàn	$t_w$	$27$	$^\circ\text{C}$
Nhiệt độ môi trường thiết kế	$t_{\text{mt}}$	$33$	$^\circ\text{C}$
Độ ẩm môi trường thiết kế	$\varphi_{\text{mt}}$	$74$	$%$
Lưu lượng môi chất tuần hoàn	$m_{CO_2}$	$0,007$	$\text{kg/s}$
Năng suất lạnh riêng	$q_0$	$143$	$\text{kJ/kg}$
Công nén riêng	$l$	$20$	$\text{kJ/kg}$
Công suất nhiệt ngưng tụ riêng	$q_k$	$163$	$\text{kJ/kg}$
Hệ số làm lạnh lý thuyết	$\varepsilon$	$7,2$	-

Chi tiết tính toán và cấu tạo các cụm thiết bị chính:

• Máy nén lạnh: Tính toán công suất nén lý thuyết $L = 0,14\text{ kW}$. Sau khi xét các tổn thất ma sát cơ học ($\eta_e = 0,95$), hiệu suất truyền động trực tiếp ($\eta_{\text{tđ}} = 1$), hiệu suất động cơ điện ($\eta_{\text{el}} = 0,8$) và hiệu suất chỉ thị ($\eta_i$), tổng hiệu suất đạt $\eta = 0,7$. Công suất động cơ yêu cầu là $N_{\text{đc}} = 0,41\text{ kW}$. Đồ án lựa chọn máy nén chuyên dụng cho môi chất $CO_2$ của hãng SANDEN với công suất danh định $500\text{ W}$.
• Thiết bị ngưng tụ: Thiết kế dạng ống lồng ống, trao đổi nhiệt giữa $CO_2$ chuyển pha ngưng tụ bên trong ống và nước tuần hoàn giải nhiệt bên ngoài. Hệ số tỏa nhiệt tính toán của $CO_2$ ngưng tụ đạt $\alpha_{CO_2} = 3226,07\text{ W/m}^2\text{K}$, của nước đạt $\alpha_{\text{nước}} = 171,86\text{ W/m}^2\text{K}$. Ống truyền nhiệt bằng đồng dày $\delta = 0,8\text{ mm}$ ($\lambda = 384\text{ W/mK}$). Hệ số truyền nhiệt tổng quát đạt $k = 163,12\text{ W/m}^2\text{K}$. Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit $\Delta t_{\text{tb}} = 9,4^\circ\text{C}$, cho diện tích trao đổi nhiệt bề mặt $F = 0,75\text{ m}^2$. Thiết bị gồm $200$ ống đồng chia làm 4 pass, bố trí 2 bộ song song, mỗi pass chứa $25$ ống dài $0,3\text{ m}$.
• Thiết bị bay hơi: Sử dụng dàn trao đổi nhiệt ống đồng cánh nhôm của hãng HITACHI có công suất danh định $2,65\text{ kW}$ ($6000\text{ Btu/h}$). Hệ số tỏa nhiệt của $CO_2$ bay hơi $\alpha_{CO_2} = 5000\text{ W/m}^2\text{K}$, hệ số tỏa nhiệt phía không khí $\alpha_{\text{kk}} = 40\text{ W/m}^2\text{K}$, cánh nhôm dày $\delta = 0,4\text{ mm}$ ($\lambda = 237\text{ W/mK}$). Hệ số truyền nhiệt tổng quát $k = 39,67\text{ W/m}^2\text{K}$, $\Delta t_{\text{tb}} = 18,7^\circ\text{C}$, diện tích trao đổi nhiệt bề mặt đạt $F = 1,34\text{ m}^2$.
• Đường ống làm mát phụ bằng nước ngưng: Đoạn ống đồng dẫn môi chất lỏng $CO_2$ trước van tiết lưu có đường kính ngoài $6\text{ mm}$. Dựa trên lưu lượng nước ngưng thu hồi từ dàn bay hơi và chọn vận tốc dòng chảy $\omega = 0,1\text{ m/s}$, diện tích tiết diện được xác định để gia công đoạn ống nhựa dẻo lồng ngoài tạo thành bộ trao đổi nhiệt ngược chiều vỏ - ống có bọc cách nhiệt bảo ôn. Nhóm chế tạo hai cụm ống phụ với đường kính trong lần lượt là $8\text{ mm}$ và $10\text{ mm}$ để kiểm chứng thực nghiệm.
• Thiết bị đo lường và kiểm soát:
  • Đồng hồ đo nhiệt độ tiếp xúc Extech 421509 loại K/J (dải đo kiểu K từ $-200$ đến $1372^\circ\text{C}$, sai số $\pm 0,05%$).
  • Bộ thu thập và xử lý tín hiệu trung tâm MX100 kết nối máy tính, quản lý $10$ đầu dò nhiệt bố trí tại các vị trí: đầu hút/đẩy máy nén, trước/sau đường ống làm mát phụ, trước/sau van tiết lưu, trên dàn lạnh, đường môi chất hồi và trong bể nước giải nhiệt.
  • Đồng hồ đo áp suất cơ chân đứng (dải đo $0 - 100\text{ bar}$, cấp chính xác $\pm 2,5%$) kết hợp bộ số hóa tín hiệu áp suất sử dụng cảm biến Sensys PTEH0001BCMG (tín hiệu dòng $2 - 20\text{ mA}$) xử lý qua vi điều khiển Arduino hiển thị màn hình LCD.
  • Thiết bị đo vận tốc gió Testo 410-2 đo lưu lượng không khí qua dàn lạnh.
  • Máy ảnh nhiệt hồng ngoại Fluke TiS10 ghi nhận trường nhiệt độ phân bố trên bề mặt cánh tản nhiệt dàn lạnh.
  • Ampe kìm và đồng hồ vạn năng (VOM) đo các thông số dòng điện, điện áp vận hành.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc nghiên cứu môi chất tự nhiên thay thế trong bối cảnh các quy định quốc tế về cắt giảm khí nhà kính ngày càng nghiêm ngặt. Tác giả tổng hợp bức tranh nghiên cứu trong nước, nổi bật là các công bố của Đặng Thành Trung và cộng sự về quá trình tiết lưu của $CO_2$, nghiên cứu của Hùng và cộng sự về đặc tính truyền nhiệt trong thiết bị bay hơi kênh micro ở áp suất làm việc $37 - 85\text{ bar}$, cùng nghiên cứu thực nghiệm của Phong và cộng sự về thiết bị ngưng tụ $CO_2$ làm mát bằng nước với độ chênh áp vào - ra đạt $0,4 - 0,5\text{ bar}$.

Về tình hình nghiên cứu quốc tế, chương khảo cứu các cột mốc lịch sử từ việc Lorentzen phục hồi chu trình $CO_2$ vào những năm 1990, nghiên cứu của Groll và Kim về hoàn thiện linh kiện, các cải tiến máy giãn nở của Singh, hệ thống lai của Pardiñas, nghiên cứu áp suất trung gian tối ưu của Nebot-Andrés, cùng các phân tích nhiệt động của Bansal và Liu. Từ đó, chương xác định mục tiêu đổi mới: tận dụng chính nguồn nước ngưng thải từ dàn lạnh để tăng cường làm mát phụ cho chu trình $CO_2$ dưới tới hạn.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này hệ thống hóa toàn bộ các công thức toán - lý của quá trình trao đổi nhiệt. Tác giả trình bày phương trình dẫn nhiệt Fourier một chiều, phương trình đối lưu nhiệt Newton và các công thức chuẩn số Nusselt ứng dụng cho bài toán dòng chất lỏng chảy ngang chùm ống có cánh và không cánh. Chương cũng phân định rõ hai bài toán tính toán thiết bị trao đổi nhiệt (bài toán thiết kế và bài toán kiểm tra), đồng thời phân tích chi tiết chu trình nhiệt động của môi chất $CO_2$ dưới tới hạn một cấp nén trên đồ thị $p-h$ và $T-s$, làm cơ sở toán học cho việc thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng tại từng phần tử trong hệ thống.

Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống

Chương 3 tập trung vào chuỗi tính toán kỹ thuật phục vụ chế tạo. Từ công suất yêu cầu $Q_0 = 1000\text{ W}$, nhiệt độ bay hơi $t_0 = 10^\circ\text{C}$ ($P_0 = 45\text{ bar}$) và nhiệt độ ngưng tụ $t_k = 30^\circ\text{C}$ ($P_k = 72\text{ bar}$), tác giả xác định tỷ số nén $\pi = 1,6$ thỏa mãn điều kiện chu trình một cấp ($\pi < 9$). Các thông số trạng thái tại các điểm nút được xác lập: enthalpy đầu hút máy nén $h_1 = 445\text{ kJ/kg}$, đầu đẩy máy nén $h_2 = 465\text{ kJ/kg}$, sau ngưng tụ $h_3 = h_4 = 302\text{ kJ/kg}$.

Nội dung tính toán chi tiết thiết bị ngưng tụ cho ra hệ số truyền nhiệt $k = 163,12\text{ W/m}^2\text{K}$, diện tích trao đổi nhiệt $F = 0,75\text{ m}^2$, quy đổi thành $200$ ống đồng chia làm 4 pass. Thiết bị bay hơi dạng cánh nhôm đạt diện tích $F = 1,34\text{ m}^2$, hệ số $k = 39,67\text{ W/m}^2\text{K}$. Đoạn ống làm mát phụ được tính toán thủy lực cho vận tốc nước ngưng $0,1\text{ m/s}$, làm căn cứ chọn kích thước ống $8\text{ mm}$ và $10\text{ mm}$.

Chương 4: Xây dựng hệ thống thực nghiệm

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ thiết kế đến lắp ráp cơ khí và bố trí hệ thống đo. Tác giả trình bày chi tiết cấu tạo các thiết bị thực tế gồm máy nén Sanden $500\text{ W}$, dàn ngưng tụ ống lồng ống giải nhiệt nước có bơm tuần hoàn và quạt làm mát bể nước, van tiết lưu tay dùng để thay đổi áp suất bay hơi theo ý muốn, và dàn lạnh Hitachi $2,65\text{ kW}$.

Chương thuyết minh nguyên lý làm việc của hệ thống đo lường với bộ thu thập dữ liệu đa năng MX100, cách đấu nối $10$ cảm biến nhiệt độ vào các vị trí xung yếu của chu trình, cấu tạo mạch số hóa tín hiệu áp suất Sensys - Arduino hiển thị màn hình tinh thể lỏng, quy trình cân chỉnh đồng hồ đo áp suất cơ, đồng thời đưa ra các bước tiến hành thực nghiệm an toàn khi làm việc với môi chất áp suất cao.

Chương 5: Các kết quả thực nghiệm

Chương 5 phân tích và đối chiếu dữ liệu thu được qua các ngày chạy thử nghiệm ở ba cấu hình:

1. Hệ thống lạnh $CO_2$ tiêu chuẩn (không trang bị làm mát phụ).
2. Hệ thống lạnh $CO_2$ có đường ống làm mát phụ đường kính $10\text{ mm}$.
3. Hệ thống lạnh $CO_2$ có đường ống làm mát phụ đường kính $8\text{ mm}$.

Nội dung chương trình bày các bảng số liệu đo thực tế về nhiệt độ môi trường, nhiệt độ bể nước giải nhiệt, nhiệt độ vào/ra của môi chất tại thiết bị ngưng tụ, nhiệt độ trước và sau đoạn ống làm mát phụ, nhiệt độ gió vào/ra dàn bay hơi cùng ảnh nhiệt hồng ngoại Fluke TiS10 ghi nhận độ phân bố nhiệt trên bề mặt dàn lạnh. Kết quả tính toán từ số liệu thực nghiệm chứng minh đường ống làm mát phụ bằng nước ngưng tạo ra độ chênh lệch nhiệt độ rõ rệt trước van tiết lưu, làm tăng năng suất lạnh và hệ số làm lạnh so với chu trình cơ bản.

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Chương 6 tổng kết toàn bộ kết quả đạt được về mặt tính toán, chế tạo và thử nghiệm thực tế. Tác giả khẳng định giải pháp làm mát phụ bằng nước ngưng có tính khả thi kỹ thuật cao, hoạt động ổn định và mang lại hiệu quả cải thiện chu trình làm lạnh $CO_2$. Đồng thời, chương đề xuất các kiến nghị kỹ thuật nhằm nâng cao độ chính xác và mở rộng khả năng ứng dụng của mô hình trong các nghiên cứu tiếp theo.

---

Kết quả và đóng góp

Các kết quả định lượng chính được trích xuất từ tính toán lý thuyết và khảo sát thực nghiệm trong văn bản:

Hạng mục thông số	Ký hiệu	Giá trị lý thuyết	Đơn vị
Năng suất lạnh riêng	$q_0$	$143$	$\text{kJ/kg}$
Công nén riêng	$l$	$20$	$\text{kJ/kg}$
Công suất nhiệt ngưng tụ riêng	$q_k$	$163$	$\text{kJ/kg}$
Lưu lượng môi chất bão hòa	$m_{CO_2}$	$0,007$	$\text{kg/s}$
Công suất máy nén yêu cầu	$L$	$0,14$	$\text{kW}$
Công suất nhiệt dàn ngưng	$Q_k$	$1,15$	$\text{kW}$
Hệ số làm lạnh chu trình	$\varepsilon$ (COP)	$7,2$	-
Độ chênh nhiệt độ LMTD dàn ngưng	$\Delta t_{\text{tb, ngưng}}$	$9,4$	$^\circ\text{C}$
Diện tích trao đổi nhiệt dàn ngưng	$F_{\text{ngưng}}$	$0,75$	$\text{m}^2$
Độ chênh nhiệt độ LMTD dàn bay hơi	$\Delta t_{\text{tb, bay hơi}}$	$18,7$	$^\circ\text{C}$
Diện tích trao đổi nhiệt dàn bay hơi	$F_{\text{bay hơi}}$	$1,34$	$\text{m}^2$

Về mặt thực nghiệm, đồ án ghi nhận các phát hiện kỹ thuật:

• Quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng nước ngưng từ dàn lạnh và đường ống môi chất trước van tiết lưu tạo ra độ quá lạnh bổ sung cho dòng $CO_2$ lỏng. Việc hạ nhiệt độ môi chất trước khi tiết lưu làm giảm enthalpy tại điểm vào dàn lạnh, từ đó nâng cao năng suất lạnh hữu ích của dàn bay hơi.
• Cả hai kích thước đường ống làm mát phụ ($8\text{ mm}$ và $10\text{ mm}$) đều chứng minh tính hiệu quả qua các số liệu đo thực tế; số liệu thu thập giữa các ngày vận hành khác nhau có độ chênh lệch rất nhỏ, khẳng định tính ổn định của hệ thống.
• Biểu đồ nhiệt độ ghi nhận từ ảnh nhiệt hồng ngoại Fluke TiS10 cho thấy nhiệt độ cánh tản nhiệt dàn lạnh và nhiệt độ gió ra được duy trì đồng đều khi hệ thống vận hành có tải.

Giải pháp và đóng góp của đề tài:

• Đề xuất và hiện thực hóa thành công cấu hình tận dụng nguồn nước ngưng xả bỏ từ chính dàn bay hơi để làm mát phụ cho chu trình $CO_2$, không tiêu tốn thêm điện năng phụ trợ.
• Kế thừa và nâng cấp các kết quả nghiên cứu trước đây tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, chuyển đổi từ mô hình giải nhiệt thuần túy bằng nước sang mô hình kết hợp làm mát phụ bằng nước ngưng.
• Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm đầy đủ về chu trình lạnh $CO_2$ dưới tới hạn vận hành trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm cao đặc thù của miền Nam Việt Nam.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Mô hình thực nghiệm chỉ mới khảo sát ở dải công suất nhỏ ($Q_0 = 1\text{ kW}$) và vận hành dưới chu trình một cấp nén dưới tới hạn ($P_k \le 72\text{ bar}$).
• Hệ thống sử dụng van tiết lưu cân chỉnh bằng tay, đòi hỏi sự can thiệp thủ công khi thay đổi áp suất bay hơi thay vì sử dụng van tiết lưu điện tử tự động điều khiển theo độ quá nhiệt.
• Lưu lượng nước ngưng sinh ra thực tế phụ thuộc trực tiếp vào tải ẩm và độ ẩm tương đối của không khí môi trường xung quanh, dẫn đến khả năng làm mát phụ có thể dao động nếu điều kiện thời tiết thay đổi mạnh.

Hướng mở rộng đề tài:

• Nghiên cứu thay thế van tiết lưu tay bằng van tiết lưu điện tử (EEV) kết hợp thuật toán điều khiển tự động để duy trì độ quá nhiệt ổn định ở đầu ra dàn bay hơi.
• Thử nghiệm hệ thống trong các buồng vi khí hậu nhân tạo để đánh giá hiệu quả làm mát phụ dưới các dải nhiệt độ và độ ẩm môi trường biến thiên rộng hơn.
• Mở rộng khảo sát chu trình $CO_2$ chuyển tiếp sang chế độ siêu tới hạn (transcritical cycle) kết hợp cụm trao đổi nhiệt làm mát khí (gas cooler) và bộ làm mát phụ bằng nước ngưng.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Nhiệt - Điện lạnh, Kỹ thuật Cơ khí Động lực và các ngành liên quan đến hệ thống HVAC.

Các phần có giá trị tham khảo kỹ thuật cao:

• Phương pháp luận tính toán chu trình lạnh $CO_2$ dưới tới hạn và quy trình lựa chọn thông số nhiệt động dựa trên điều kiện khí hậu nhiệt đới thực tế tại Việt Nam (Chương 3).
• Chi tiết thiết kế và tính toán diện tích truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống chịu áp suất cao và dàn bay hơi ống đồng cánh nhôm (Chương 3).
• Sơ đồ tích hợp hệ thống đo lường thực nghiệm kết nối máy tính, bao gồm việc ứng dụng bộ xử lý MX100, cảm biến nhiệt độ K/J và mạch số hóa cảm biến áp suất Sensys qua vi điều khiển Arduino hiển thị LCD (Chương 4).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài chọn chu trình làm việc dưới tới hạn thay vì chu trình siêu tới hạn?

Chu trình dưới tới hạn được lựa chọn vì áp suất ngưng tụ thiết kế là $72\text{ bar}$ ứng với nhiệt độ ngưng tụ $30^\circ\text{C}$, nằm dưới điểm tới hạn của $CO_2$ ($P_{\text{th}} = 73,6\text{ bar}$, $t_{\text{th}} = 31^\circ\text{C}$). Với nguồn nước giải nhiệt có nhiệt độ ban đầu $27 - 28,5^\circ\text{C}$, tỷ số nén của chu trình chỉ là $\pi = 1,6$ ($< 9$), cho phép hệ thống vận hành an toàn, ổn định với chu trình một cấp nén đơn giản mà không đòi hỏi thiết bị chịu áp lực siêu tới hạn phức tạp.

2. Kích thước và vật liệu của đoạn ống làm mát phụ được lựa chọn như thế nào?

Đoạn ống dẫn môi chất $CO_2$ trước van tiết lưu sử dụng ống đồng đường kính ngoài $6\text{ mm}$. Căn cứ vào lưu lượng nước ngưng sinh ra và vận tốc dòng chảy giả định $\omega = 0,1\text{ m/s}$, đường kính ống làm mát phụ tính toán được là $6\text{ mm}$. Trong quá trình gia công thực nghiệm, nhóm tác giả đã chọn hai loại ống nhựa dẻo có đường kính trong lần lượt là $8\text{ mm}$ và $10\text{ mm}$, có bọc lớp cách nhiệt bên ngoài để bao bọc lấy ống đồng, tạo thành bộ trao đổi nhiệt giải nhiệt bằng nước ngưng.

3. Thông số năng suất lạnh và công nén tính toán lý thuyết của hệ thống đạt bao nhiêu?

Theo tính toán chu trình lý thuyết ở Chương 3, hệ thống có năng suất lạnh riêng $q_0 = 143\text{ kJ/kg}$, công nén riêng $l = 20\text{ kJ/kg}$, công suất nhiệt ngưng tụ riêng $q_k = 163\text{ kJ/kg}$. Với lưu lượng môi chất $0,007\text{ kg/s}$, công suất nén lý thuyết là $0,14\text{ kW}$, công suất nhiệt dàn ngưng là $1,15\text{ kW}$ và hệ số làm lạnh lý thuyết $\varepsilon$ đạt $7,2$.

4. Hệ thống đo lường thực nghiệm bố trí bao nhiêu cảm biến nhiệt độ và ở các vị trí nào?

Hệ thống sử dụng tổng cộng $10$ đầu cảm biến nhiệt độ kết nối với bộ xử lý tín hiệu đa năng MX100 và máy tính. Vị trí bố trí cụ thể gồm: $2$ cảm biến đặt tại đầu hút và đầu đẩy của máy nén, $4$ cảm biến đặt trước và sau cụm van tiết lưu cùng đoạn ống làm mát phụ, $2$ cảm biến đặt trên dàn bay hơi, $1$ cảm biến đặt trên đường ống môi chất hồi về máy nén, và $1$ cảm biến đặt ngập bên trong bể nước giải nhiệt của quạt làm mát.

5. Thiết bị ngưng tụ trong đồ án có kết cấu như thế nào?

Thiết bị ngưng tụ được thiết kế theo dạng ống lồng ống giải nhiệt bằng nước tuần hoàn, với tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt tính toán $F = 0,75\text{ m}^2$. Thiết bị gồm $200$ ống đồng (chiều dài mỗi ống $0,3\text{ m}$, chiều dày vách $\delta = 0,8\text{ mm}$) được phân bố thành 4 pass, vận hành với hai bộ mắc song song, mỗi pass chứa $25$ ống trao đổi nhiệt.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình hệ thống điều hòa không khí một cấp nén sử dụng môi chất tự nhiên $CO_2$ với công suất danh định $1\text{ kW}$ trong điều kiện dưới tới hạn. Nghiên cứu khẳng định giải pháp trang bị thêm đường ống làm mát phụ tận dụng nước ngưng từ dàn bay hơi giúp tăng cường độ quá lạnh của dòng môi chất trước van tiết lưu, trực tiếp nâng cao hiệu quả làm mát và cải thiện hệ số làm lạnh (COP) của hệ thống. Các kết quả tính toán thiết kế thiết bị ngưng tụ ống lồng ống, dàn bay hơi cánh nhôm cùng hệ thống thu thập dữ liệu tự động cung cấp nguồn cứ liệu kỹ thuật thực nghiệm phục vụ việc phát triển ứng dụng môi chất lạnh thân thiện môi trường tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Lý do chọn đề tài Nước ta là một nước có ngành điện lạnh còn chưa thật sự phát triển. Phần lớn các công nghệ mới đều nằm trong tay các tập đoàn lớn của nước ngoài. Các hệ thống làm lạnh bằng môi chất CO2 giúp giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực như là hiệu ứng nhà kính do các chất làm lạnh có chỉ số GWP cao, đồng thời giảm tỷ lệ rò rỉ môi chất lạnh từ 5% đến 23% hàng năm.

Vì vậy, CO2 đã trở thành lựa chọn hàng đầu với những tính chất thân thiện với môi trường (GWP = 1) và tính an toàn cao. Điều đáng chú ý là nhờ sự tiến bộ của kỹ thuật, hệ thống làm lạnh bằng CO2 đã có thể cạnh tranh hoặc thậm chí vượt trội hơn so với các hệ thống truyền thống. Trên thế giới hiện nay có rất nhiều nghiên cứu về môi chất lạnh CO2 cũng như các phương pháp giúp tăng hiệu quả của môi chất lạnh này. Đặc biệt là đề tài “ Nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm quá trình làm mát CO2 bằng nước trong thiết bị ngưng tụ” do giáo viên và sinh viên trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nghiên cứu và chế tạo.

Từ đề tài trên nhóm em tiếp tục nghiên cứu và cải tiến với đề tài “ Nghiên cứu thực nghiệm quá trình làm mát phụ cho hệ thống điều hòa không khí CO2 bằng nước ngưng ”, để có cái nhìn tổng quát về hiệu quả và ứng dụng môi chất lạnh CO2. Cuối cùng là đưa ra được đánh giá tính khả quan của đề tài. Tình hình nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu trong nước Hệ thống điều hòa không khí CO2 là một hướng rất mới ở Việt Nam.

Hiện nay, rất ít các nhà khoa học về công nghệ nhiệt lạnh nghiên cứu và công bố chính thống về lĩnh vực này. Trung cùng cộng sự [1] đã nghiên cứu quá trình tiết lưu của hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất lạnh CO2. Một mô phỏng số đặc tính truyền nhiệt trong thiết bị bay hơi kênh micro của hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất lạnh CO2 đã được thực hiện bởi Hùng cùng cộng sự [2]. Trong nghiên cứu này, chu trình làm việc có áp suất bộ làm mát ở 85 bar, áp suất bay hơi 37 bar.

Kết quả cho thấy áp suất và nhiệt độ trong quá trình bay hơi không đổi, nó phù hợp với lý thuyết về quá trình bay hơi. Thêm vào đó, độ khô x thay đổi từ 0,50 đến 0,52 tương ứng với điểm vào dàn lạnh đến một khoảng 200 mm. Kết quả này tương đồng với kết quả thực nghiệm ở độ khô 0,53. 7 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung Bên cạnh đó, nhóm của Phong cùng các cộng sự [3] cũng bắt tay vào thực hiện nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm quá trình làm mát CO2 bằng nước trong thiết bị ngưng tụ”.

Phong cùng các cộng sự đã thực hiện việc tính toán, kiểm tra, thiết kế mô hình hóa và mô phỏng dàn ống đồng trao đổi nhiệt giữa nước và môi chất CO2. Các thông số kết quả mô phỏng như sau: Nhiệt độ môi chất CO2 đầu vào của dàn là 64oC trao đổi nhiệt với nước ở nhiệt độ dao động khoảng 27oC – 28,5oC cho ra kết quả đầu ra là 27,8oC và thời gian để thực hiện quá trình mô phỏng mất khoảng 15 giờ. Áp suất chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra là 0,4 bar. Sau khi nhận thấy được kết quả từ việc mô phỏng số là hợp lí, Phong cùng các cộng sự đã tiến hành bước tiếp theo trong đề tài đó là xây dựng nên mô hình thực nghiệm thực tế.

Qua nhiều lần chạy thực nghiệm để lấy số liệu thì kết quả thu được cũng đạt được những dữ liệu khả quan: Nhiệt độ trung bình của CO2 ở đầu vào thiết bị ngưng tụ là 63,3oC, sau khi nhả nhiệt cho nước (nước có nhiệt độ là 26,4oC) và ngưng tụ thì có nhiệt độ trung bình đầu ra là 27,5oC chênh lệch 1,1oC. Áp suất trung bình của CO2 ở đầu vào thiết bị ngưng tụ 73 bar, áp suất trung bình ở đầu ra là 72,5 bar chênh lệch 0,5 bar. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Hệ thống làm lạnh CO2 đã được Lorentzen và cộng sự [4] phục hồi trong những năm 90 như một giải pháp hợp lý về kỹ thuật có thể để thay thế các chất làm lạnh nhân tạo trong các công nghệ về điều hòa không khí và làm lạnh. Triển khai các chu trình CO2 sẽ tránh được "sự phát thải liên tục hàng năm của hàng trăm nghìn tấn hóa chất ngoại lai vào khí quyển, liên quan đến nguy cơ tiềm ẩn của tác động môi trường không lường trước được".

Sự phục hồi của hệ thống lạnh CO2 làm chất làm lạnh trong các ứng dụng làm lạnh và điều hòa không khí đã chậm trễ, bởi vì các hệ thống lạnh CO2 ban đầu, đặc biệt là những hệ thống hoạt động hoặc được phân tích trong điều kiện vượt ngưỡng, đạt được mức hiệu suất năng lượng không thể so sánh được với các chất làm lạnh nhân tạo. Để giải quyết vấn đề này, cộng đồng khoa học đã nỗ lực rất nhiều trong những thập kỷ qua. Trước hết, Groll và Kim [5] nghiên cứu tập trung vào việc định nghĩa các kế hoạch làm lạnh thay thế và cải thiện hiệu suất của các thành phần riêng lẻ. Giai đoạn nghiên cứu ban đầu này đã cho thấy rõ ràng rằng các kế hoạch làm việc của các nhà máy cạnh tranh sẽ rất khác biệt so với các kế hoạch truyền thống được sử dụng với các chất làm lạnh 8 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung nhân tạo, bởi vì làm lạnh CO2 yêu cầu điều khiển tập trung áp suất thải nhiệt trong điều kiện vượt ngưỡng giới hạn.

Thứ hai, Singh và các cộng sự [6] phát triển hệ thống lạnh CO2 đã tiến một bước vì sự phát triển của các máy mở rộng và các hệ thống bơm cho phép khôi phục năng lượng trong quá trình mở rộng. Cuối cùng, các hệ thống lạnh CO2 Pardiñas và các cộng sự [7] đã được kết hợp với các hệ thống khác (hệ thống lai) để cung cấp điều hòa không khí, thực hiện khôi phục nhiệt, vv… tức là cung cấp tất cả nhu cầu nhiệt của một ứng dụng bằng một hệ thống kết hợp rất hiệu quả. Nebot-Andr'es cùng các cộng sự [8] đã nghiên cứu thực nghiệm xác định áp suất trung gian tối ưu và bộ làm mát bằng khí của một nhà máy làm lạnh CO2 siêu tới hạn thương mại với quá trình nén song song. Kết quả chứng minh sự tồn tại của COP tối đa, đạt được trong các điều kiện tối ưu của bộ làm mát bằng khí và áp suất trung gian, thay đổi tùy thuộc vào các điều kiện thử nghiệm.

Áp suất tối ưu phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ đầu ra của bộ làm mát khí, cao hơn khi nhiệt độ cao hơn, trong khi trên thực tế nó không phụ thuộc vào mức độ bay hơi đối với nhiệt độ bay hơi được đánh giá. Mặt khác, áp suất trung gian tối ưu phụ thuộc vào cả hai, nhiệt độ đầu ra của bộ làm mát khí và nhiệt độ bay hơi, cao hơn khi mức bay hơi cao hơn và nhiệt độ đầu ra của bộ làm mát bằng khí. Bansal [9] đã nghiên cứu về các vấn đề cơ bản và ứng dụng của môi chất lạnh CO2 trong các hệ thống lạnh ở nhiệt độ thấp, cùng với một số thảo luận về độ an toàn của nó, phân tích nhiệt động lực học, các thách thức, nhu cầu nghiên cứu cơ bản và thiết kế các hệ thống mới để để tiếp tục chiếm ưu thế trong ngành điện lạnh. Liu và cộng sự [10] đã kết luận rằng các nghiên cứu ở Hoa Kì thì các tòa nhà dân cư chiếm gần 21% tổng tiêu thụ năng lượng.

Gần như tất cả lượng phát thải khí nhà kính từ khu vực dân cư có thể do sử dụng năng lượng trong các tòa nhà. Việc sử dụng các công nghệ hiệu quả có thể giảm thiểu phát thải khí nhà kính bằng cách tiết chế việc sử dụng năng lượng. Tiêu thụ năng lượng để sưởi ấm không gian, làm mát và điều hòa không khí (HVAC) chiếm gần 39% tổng năng lượng sử dụng cuối cùng của các tòa nhà dân cư. Môi chất lạnh CO2 đang được ủng hộ như một trong những chất làm lạnh tự nhiên thay thế các chất làm lạnh CFC và HCFC trong hệ thống nén hơi do đặc tính thân thiện với môi trường của nó.

Từ các tổng quan trên, đã có rất nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước nói về hệ 9 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung thống lạnh sử dụng môi chất CO2. Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ tập trung vào quá trình trao đổi nhiệt giữa không khí với môi chất CO2. Vì vậy trong đề tài này chúng tôi sẽ đổi mới, tập trung vào việc sử dụng nước để làm mát cho môi chất thông qua việc mô phỏng kết hợp với thực nghiệm để thấy được hiệu quả trao đổi nhiệt giữa nước và môi chất CO2. Mục tiêu đề tài Đưa ra được các kết quả thực nghiệm về hệ thống lạnh sử dụng môi chất CO2 và hệ thống kết hợp đường ống làm mát phụ bằng nước ngưng.

Đưa ra được các kết quả so sánh với các nghiên cứu liên quan. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Các thiết bị chính trong hệ thống lạnh bao gồm bộ tận dụng nước ngưng, bộ làm mát bay hơi, máy lạnh, môi chất lạnh CO2, nước giải nhiệt. Các thông số nhiệt động nghiên cứu (Công suất lạnh, công suất nhiệt, công máy nén, hệ số lạnh lạnh, nhiệt độ, áp suất, entanpy,…).

Phạm vi nghiên cứu Từ các kết quả tổng quan và cơ sở vật chất hiện có tại phòng thí nghiệm truyền nhiệt Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hệ thống lạnh sử dụng môi chất CO2 kết hợp đường ống làm mát phụ bằng nước ngưng có năng suất lạnh về phía môi chất Q0 = 1 kW, năng suất lạnh về phía gió Q0 = 1 kW, nhiệt độ nước giải nhiệt trung bình 28,5oC và nhiệt độ môi trường tmt = 33±2oC,  mt = 74±2% tại điều kiện ở thành phố Hồ Chí Minh. Nội dung và phương pháp nghiên cứu 1. Nội dung nghiên cứu Thông qua việc tổng quan các tài liệu nghiên cứu liên quan và áp dụng các cơ sở lý thuyết: Tính toán lý thuyết hệ thống, thiết kế các thiết bị chính cho hệ thống lạnh sử dụng môi chất CO2.

Xây dựng mô hình hệ thống lạnh sử dụng môi chất CO2 dựa trên cơ sở lý thuyết.