Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về đề tài nghiên cứu 1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Nghiên cứu so sánh về việc sử dụng môi chất CO2 với môi chất lạnh khác đã được Lorentzen [1] nghiên cứu và cho rằng việc sử dụng CO2 với hệ thống điều hòa không khí 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 thành rất thấp; vận hành và bảo trì đơn giản, công suất làm lạnh lớn. Zhao và cộng sự [2] đã thực nghiệm cho dòng chảy sôi của CO2 và R134a trong một kênh micro, với độ khô 0,05 - 0,3. Họ kết luận rằng, lưu lượng khối lượng có ảnh hưởng rất nhỏ đến hệ số truyền nhiệt của cả CO2 và R134a.
Ngoài ra, hệ số truyền nhiệt của CO2 cao hơn khoảng 200% hệ số truyền nhiệt của R134a. Yun cùng cộng sự [3] đã nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt khi sôi của CO2 trong kênh micro. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ số truyền nhiệt trung bình của CO2 cao hơn so với R134a là 53%. Ảnh hưởng của mật độ dòng nhiệt đến hệ số truyền nhiệt là cao hơn đáng kể so với lưu lượng khối lượng.
Khi đường kính thủy lực giảm từ 1,54 - 1,27 mm và từ 1,27 - 1,08 mm tại mật độ dòng nhiệt là 15 kW/m2 và lưu lượng khối lượng 300 kg/m2s thì hệ số truyền nhiệt tăng tương ứng 5% và 31%. Gasche [4] đã nghiên cứu thực nghiệm về sự bay hơi CO2 bên trong kênh micro dạng ống với đường kính 0,8 mm. Tổng cộng có 67 thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt 1 độ bão hòa 23,3°C, mật độ dòng nhiệt 1800 W/(m2°C), độ khô dao động 0,005 - 0,88 và lưu lượng khối lượng khoảng 58 - 235 kg/(m2s). Kết quả thu được là hệ số truyền nhiệt trung bình 9700 W/(m2°C) với sai số chuẩn là 35%.
Độ khô của dòng chảy đặc trưng cho sự giảm hệ số truyền nhiệt. Đối với độ khô thấp (khoảng 0,25) thì dòng chảy chậm là chiếm ưu thế, ngược lại đối với độ khô cao (trên 0,50) thì dòng hình khuyên là tốt hơn. Kim và Bullard [5] cũng đã nghiên cứu và đưa ra những kết quả rất quan trọng về sự bay hơi của môi chất CO2 trong thiết bị bay hơi. Trong nghiên cứu này các công thức về sự truyền nhiệt và tổn thất áp suất do ma sát cho bộ trao đổi nhiệt kênh micro theo trạng thái lỏng sôi và bão hòa khô đều được thiết lập từ các phương trình cân bằng khối lượng và cân bằng năng lượng.
Các kết quả mô phỏng số cũng như các công thức về sự truyền nhiệt và tổn thất áp suất cho thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro đã được nghiên cứu. Nghiên cứu về dòng hai pha trong kênh micro đã được Yu cùng cộng sự [6] nghiên cứu và đưa ra các kết luận: Dòng chảy hai pha có nhiều thuận lợi hơn về truyền nhiệt và truyền chất so với dòng một pha; chế độ dòng chảy khác nhau với hình dạng bong bóng khác nhau tùy thuộc vào số lượng ống mao của dòng chảy; lượng Ca cao (Ca > 0,03), bong bóng thường được hình thành bởi lực cắt không ổn định, đặc trưng bởi sự kéo dài của dòng khí; khi lượng Ca thấp hơn (Ca < 0,01), các bong bóng thường được bị chèn ép bởi chênh lệch áp suất trong hai pha. Bằng phương pháp mô phỏng, Cheng và Thome [7] đã thực hiện nghiên cứu về nhiệt độ bay hơi của môi chất CO2 trong thiết bị bay hơi kênh micro.Với dòng hai pha, môi chất CO2 có hệ số truyền nhiệt cao hơn nhiều và tổn thất áp suất thấp hơn môi chất R236fa. Tuy nhiên, áp suất làm việc của CO2 là cao hơn nhiều so với R236fa.
Dựa trên các phân tích và so sánh, CO2 dường như là một chất làm lạnh đầy hứa hẹn cho ứng dụng nhiệt độ thấp. Pettersen [8] đã nghiên cứu dòng chảy hai pha trong một kênh micro sử dụng môi chất CO2 với 25 dòng kênh, đường kính trong 0,8 mm và chiều dài 0,5 m. Việc kiểm tra sự truyền nhiệt được thực hiện với các thay đổi, nhiệt độ từ 0 – 250C, lưu lượng khối lượng từ 190 - 570 kg/m2s và mật độ dòng nhiệt 5 - 20 kW/m2. Kết quả cho thấy sự truyền nhiệt chịu ảnh hưởng lớn bởi độ khô, đặc biệt là lưu lượng khối lượng cao 2 và nhiệt độ cao.
Thome và Ribatski [9] đã đánh giá tổng quan về truyền nhiệt đối với dòng chảy sôi và dòng chảy hai pha của CO 2. Trong cùng điều kiện nhiệt độ thì hiệu suất trao đổi nhiệt của CO2 cao hơn so với môi chất lạnh thông thường. Ngoài ra, trong dòng chảy hai pha với môi chất CO2 thì tổn thất áp suất cũng thấp hơn so với các môi chất lạnh khác. Colasson cùng cộng sự [10] cũng đã nghiên cứu dòng hai pha CO2 sự tổn thất áp suất trong một ống thép không ghỉ nằm ngang có đường kính trong 0,529 mm.
Các thí nghiệm được tiến hành trong điều kiện đoạn nhiệt cho bốn nhiệt độ bão hòa -10; -5; 0; 5 0C và lưu lượng khối lượng từ 200 - 1400 kg/m2s. Kết quả cho thấy rằng, ở độ khô thấp thì độ nhớt của hỗn hợp dòng hai pha lớn hơn độ nhớt chất lỏng. Vì vậy, độ nhớt phụ thuộc chính vào nhiệt độ bão hòa và cân bằng độ nhớt được đề nghị để giảm tổn thất áp suất. Heo cùng cộng sự [11] đã thực hiện hai thí nghiệm dòng 2 pha kênh micro có đường kính 1,44 mm, sử dụng môi chất R410a.
Họ nhận thấy rằng tổn thất áp suất tăng lên khi giữ nhiệt độ bão hòa, tăng dòng chất, hoặc tổn thất áp suất giảm khi giữ nguyên dòng chất, tăng nhiệt độ bão hoà. Cheng cùng cộng sự [12] đã nghiên cứu thực nghiệm về mô hình dòng chảy của CO2 trong ống với đường kính ống 0,6 - 10 mm, lưu lượng khối lượng 50 - 1500 kg/m2s, mật độ dòng nhiệt 1,8 - 46 kW/m2 và nhiệt độ bão hòa từ 25 - 280C. Kết luận là tổn thất áp suất của dòng chảy hai pha CO2 thấp hơn nhiều so với các kết quả nghiên cứu trước. Schael và Kind [13] đã nghiên cứu về mô hình dòng chảy và đặc tính truyền nhiệt của CO2 trong ống có cánh kênh micro đồng thời so sánh với ống trơn.
Kết quả cho thấy rằng hệ số truyền nhiệt trong ống có cánh kênh micro là cao hơn đáng kể so với ống trơn. Hệ số truyền nhiệt tăng khi lưu lượng khối lượng thấp (75 - 250 kg/m2s) nhưng lại giảm khi lưu lượng khối lượng được tăng lên đến 500 kg/m2s. Wu cùng cộng sự [14] cũng đã nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của dòng chảy sôi CO2 trong ống mini với cánh micro xoắn góc 00. Kết quả cho thấy rằng hệ số truyền nhiệt tăng với độ khô thấp khoảng 0,2 - 0,4, đồng thời tăng mật độ dòng nhiệt và nhiệt độ bão hòa.
Tổn thất ấp suất tăng với việc tăng lưu lượng khối lượng và mật độ dòng nhiệt hoặc giảm nhiệt độ bão hòa và lưu lượng khối lượng. Cho cùng 3 cộng sự [15] đã nghiên cứu về những đặc điểm truyền nhiệt khi sôi của hỗn hợp CO2/propane trong ống trơn và ống micro có cánh. Đối với ống nằm ngang, thành phần của hỗn hợp CO2/propane là 75/25 thì hệ số truyền nhiệt là cao nhất. Hệ số truyền nhiệt của ống micro có cánh cao hơn so với các ống trơn là 120 - 170% khi các điều kiện thử nghiệm tương tự.
Đối với ống thẳng đứng, hệ số truyền nhiệt tăng khi tăng mật độ dòng nhiệt, lưu lượng khối lượng và tỷ lệ thành phần của CO 2. Hỗn hợp CO2/propane 75/25 so với khí CO2 tinh khiết thì hệ số truyền nhiệt nhỏ hơn khoảng 91% và tổn thất áp suất nhỏ hơn khoảng 92%. Liên quan đến vật liệu chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro, Vamadevan và Kraft [16] đã nghiên cứu về những ảnh hưởng của ống kênh micro bằng hợp kim nhôm đến bộ trao đổi nhiệt của môi chất CO2. Họ đã kiểm tra kênh micro ống nhôm mẫu AA3102 ở áp suất tĩnh và nhiều nhiệt độ khác nhau.
Bên cạnh đó Ducoulombier cùng cộng sự [17] đã nghiên cứu về hiệu suất truyền nhiệt khi sôi của CO 2 trong một kênh micro sử dụng ống thép không ghỉ với đường kính bên trong 0,529 mm, cho ba nhiệt độ sôi (-10, -5 và 00C), với lưu lượng khối lượng từ 200 - 1200 kg/m2s và mật độ dòng nhiệt từ 10 - 30 kW/m2. Kết quả là hệ số truyền nhiệt của dòng sôi đối lưu cao hơn dòng sôi bọt. Đối với Bo > 1,1x10-4, hệ số truyền nhiệt phụ thuộc nhiều vào mật độ dòng nhiệt, độ khô và lưu lượng khối lượng. Đối với Bo < 1,1x10-4, hệ số truyền nhiệt hầu như không bị ảnh hưởng bởi mật độ dòng nhiệt nhưng ảnh hưởng mạnh mẽ bởi độ khô và lưu lượng khối lượng.
Đồng thời Pamitran cùng cộng sự [18] đã thí nghiệm về tổn thất áp suất cho sự bay hơi tự nhiên của CO2 dòng chảy hai pha trong ống thép không ghỉ với đường kính trong 1,5 mm và 3,0 mm và có chiều dài 2000 mm và 3000 mm. Các thí nghiệm đã thực hiện tại giá trị nhiệt độ bão hòa đầu vào -10, -5 và 100C, lưu lượng khối lượng khoảng từ 200 - 600 kg/m2s và mật độ dòng nhiệt khoảng 10 - 30 kW/m2. Nghiên cứu này cho thấy ảnh hưởng quan trọng của lưu lượng khối lượng, đường kính ống và nhiệt độ bão hòa đến tổn thất áp suất. So sánh với kết quả dự đoán và kết quả thực nghiệm sai số là 9,41 %.
Về ảnh hưởng của hình dáng và kích thước thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro đã được Ngo cùng cộng sự [19] nghiên cứu trên hai bộ trao đổi nhiệt kênh micro loại 4 cánh dạng chữ S và loại cánh zigzag cho chu trình CO2. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng tổn thất áp suất thu được từ loại cánh chữ S nhỏ hơn 4 - 5 lần loại zigzag; tuy nhiên chỉ số Nuselt thu được từ loại cánh chữ S cũng chỉ bằng 24 – 34% loại cánh zigzag. Bằng phương pháp thể tích hữu hạn, Yun cùng cộng sự [20] đã nghiên cứu về thiết bị bay hơi kênh micro cho hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất CO2.