Đặt vấn đề Năng lượng cấp cho hệ thống điều hòa không khí đóng vai trò quan trọng. Tuy nhiên, trước yêu cầu bảo vệ môi trường và cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch, các nhà khoa học đã nỗ lực để đổi mới phương pháp làm lạnh theo hướng tiết kiệm năng lượng, nâng cao hiệu quả thiết bị và bảo vệ môi trường. Chu trình ejector có nhiều ưu điểm như đơn giản, thiết bị gọn nhẹ, sử dụng nhiệt năng làm nguồn năng lượng đầu vào, tuy nhiên nhược điểm chính là COP thấp. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả làm việc của chu trình làm lạnh bằng ejector là hướng đi có khả thi để ứng dụng tại Việt Nam.
Theo hiểu biết của tác giả, tại Việt Nam hiện nay chưa có nghiên cứu chuyên sâu về đề tài này.2 Ejector và chu trình điều hòa không khí bằng ejector 1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ejector Một ejector điển hình bao gồm một ống phun, buồng hút, buồng hòa trộn và ống khuếch tán. Một hệ thống điều hòa không khí bằng ejector tương tự như hệ thống điều hòa không khí bằng máy lạnh có máy nén hơi, trong đó máy nén được thay thế bằng ejector và một bình phát sinh để cung cấp nhiệt năng cho ejector vận hành. Vì lý do đó, ejector còn được gọi là máy nén nhiệt.2 Môi chất lạnh làm việc trong chu trình ejector Các môi chất lạnh cần phải thõa mãn các yêu cầu về môi trường, an toán, tính chất nhiệt động và truyền nhiệt tốt và dễ dàng tìm thấy tại Việt Nam.3 Các công trình nghiên cứu có liên quan 1.1 Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng ejector 1.2 Nghiên cứu môi chất lạnh làm việc trong hệ thống ejector 1.3 Nghiên cứu chế độ hoạt động trong ejector 1.4 Nghiên cứu tối ưu hóa hình học ejector 1 1.5 Nâng cao hiệu quả làm việc của chu trình ejector 1.4 Tổng quan về chu trình tích hợp ejector – máy lạnh có máy nén hơi Phương án 1: Máy nén được kết nối trực tiếp vào ejector: kết nối khó khăn, ejector có thể hút lẫn dầu lỏng từ máy nén, hơi môi chất lạnh quá nhiệt làm tăng tải nhiệt bình ngưng Phương án 2: Chu trình ejector và chu trình máy lạnh có máy nén hơi được ghép nối với nhau thông qua một bình trao đổi nhiệt được gọi là bình trung gian. Phương án này khắc phục đước nhược điểm của phương án 1.5 Động lực thực hiện đề tài 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1.2 Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ của đề tài Mục tiêu chính của luận án này là: • Xác định mối liên hệ giữa các kích thước hình học ejector và điều kiện vận hành của hệ thống.
• Tối ưu hóa dạng hình học của ejector đối với hệ thống tích hợp vận hành bằng các nguồn nhiệt thế thấp (như năng lượng mặt trời hay nhiệt thải từ các lò hơi) trong điều kiện Việt Nam. • Tích hợp ejector vào hệ thống máy lạnh có máy nén hơi nhằm đem lại hiệu quả cao nhất. Để đạt được mục tiêu chính của đề tài, luận án sẽ tập trung giải quyết các vấn đề cụ thể sau: • Kết hợp phân tích lý thuyết và xây dựng chương trình tính toán cho hệ thống tích hợp giữa ejector và máy lạnh có máy nén hơi bằng phần mềm EES. • Xây dựng các tiêu chí lựa chọn môi chất lạnh cho hệ thống tích hợp từ đó có thể lựa chọn cặp môi chất phù hợp cho hệ thống.
• Sử dụng phần mềm tính toán để đánh giá ảnh hưởng của điều kiện vận hành đến hiệu quả hệ thống. 2 • Phân tích exergy của các thành phần trong hệ thống từ đó đánh giá tính bất thuận nghịch của ejector trong chu trình và phương hướng cải thiện. • Tính toán thiết kế ejector với điều kiện vận hành cho trước. Các phương trình liên hệ giữa các thông số thiết kế và điều kiện vận hành được thiết lập.
• Mô phỏng số bằng phần mềm ANSYS-FLUENT để tối ưu hóa hình học ejector nhằm phục vụ cho thực nghiệm. • Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống máy lạnh ejector vận hành ổn định bằng nước nóng (thay thế cho các nguồn nhiệt thế thấp như năng lượng mặt trời hay nhiệt thải từ lò hơi công nghiệp) và đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện vận hành lên hiệu quả hệ thống • Sử dụng các kết quả thực nghiệm để đánh giá và kiểm chứng kết quả mô phỏng số trong lý thuyết.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phạm vi nghiên cứu Mô hình có thể ứng dụng cho máy lạnh có dải năng suất lạnh trung bình từ 2 kW – 15 kW. Trong khuôn khổ của luận án này, NCS đã chế tạo một mô hình tích hợp ejector – máy lạnh có máy nén hơi với năng suất lạnh 2,8 kW. Trong mô hình nghiên cứu, để tăng tính chủ động trong quá trình tiến hành thí nghiệm, NCS đã sử dụng nước nóng để thay thế cho các nguồn nhiệt thế thấp có thể tận dụng được như năng lượng mặt trời hoặc nhiệt thải từ các quá trình trong công nghiệp.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết về chu trình điều hòa không khí ghép tầng ejector – máy lạnh có máy nén hơi 2.1 Đồ thị T-s của chu trình Hình 2.2 Đồ thị T-s của chu trình ghép tầng Hình 2.1 Sơ đồ ghép tầng ejector ejector - máy lạnh có máy nén hơi - máy lạnh có máy nén hơi 2.2 Các phương trình 𝑚1 𝑖1 + 𝑚2 𝑖2 = (𝑚1 + 𝑚2 )𝑖3 (2.2 Cơ sở lý thuyết về ejector 2.1 Tính toán thiết kế ống phun 𝑚1 = 𝜌𝑐𝑜 𝑐𝑐𝑜 𝐴𝑐𝑜 (2.2 Tính toán, thiết kế buồng hòa trộn 𝑖 + 𝜔𝑖2𝑟 = (1 + 𝜔)𝑖ℎ𝑡 { 1𝑟 (2.39) 𝜋 𝜋𝑐ℎ𝑡 Tỷ lệ diện tích là tỷ số giữa diện tích mặt cắt buồng hòa trộn diện tích mặt cắt cổ ống: 𝐴ℎ𝑡 𝑑ℎ𝑡 2 𝑇𝐿𝐷𝑇 = =( ) (2.3 Tính toán, thiết kế ống khuếch tán 𝜌𝑠 𝑐𝑠 − 𝜌ℎ𝑡 𝑐ℎ𝑡 = 0 2 (𝑃𝑠 + 𝜌𝑠 𝑐𝑠2 ) − (𝑃ℎ𝑡 + 𝜌ℎ𝑡 𝑐ℎ𝑡 )=0 2 (2.3 Cơ sở lý thuyết về CFD 2.1 Các phương trình vi phân ∂𝜌 + div(𝜌c) = 0 (2.2 Hệ thống lưới Hệ thống lưới được tạo ra để đại diện cho sự rời rạc hóa của miền hình học từ đó tìm ra lời giải cho bài toán.
Chất lượng lưới đóng một vai trò quan trọng cho sự chính xác và ổn định của nghiệm được giải bằng phương pháp số.3 Điều kiện biên Các điều kiện biên là thông số quan trọng trong việc mô phỏng CFD bởi vì chúng chỉ rõ dòng chất lưu và các biến trên các biên của mô hình số học. Có nhiều loại điều kiện biên khác nhau nhưng loại phù hợp cho việc mô phỏng ejector là áp suất đầu vào và áp suất đầu ra.4 Mô hình rối 𝒌 − 𝜺 Mô hình rối 𝑘 − 𝜀 là mô hình có 2 phương trình.6 Kết quả tính toán bằng CFD Điều kiện hội tụ của ejector là các sai số giảm đến 10-6. 7 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG SỐ EJECTOR 3.1 Phân tích chu trình tích hợp ejector – máy lạnh có máy nén hơi Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán của chương trình 8 3.1 Phương pháp Các phương trình (2.30) được sử dụng để viết chương trình phân tích chu trình tích hợp. Phần mềm sử dụng là EES.
Các thông số đầu vào: • Cặp môi chất R134a (phía ejector) – R410A (phía máy nén) • Tps = 80°C, Tnt = 34°C, Tbh = 15°C,ηph =0,9,ηkt =0,8,ηmn = 0,8 • Mô hình đánh giá hệ thống dựa vào COPc và COPn. • Đối với phân tích exergy: năng suất lạnh là 2,8 kW, nhiệt độ trung bình nước giải nhiệt là 27°C, nhiệt độ tham chiếu là 20°C.2 Phân tích năng lượng Tỷ lệ lôi cuốn của ejector tăng nhanh theo nhiệt độ phát sinh và giảm nhẹ khi gần đến nhiệt độ tới hạn của môi chất. Tỷ lệ lôi cuốn cũng tăng khi nhiệt độ trung gian tăng và nhiệt độ ngưng tụ giảm. Nhiệt độ bay hơi không ảnh hưởng đến tỷ lệ lôi cuốn.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ phát Hình 3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ sinh ngưng tụ COPn tăng khi nhiệt độ phát sinh, nhiệt độ trung gian và nhiệt độ bay hơi tăng, nhiệt độ ngưng tụ giảm.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay Hình 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ hơi trung gian COPc giảm khi nhiệt độ phát sinh, nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ trung gian tăng.
COPc tăng mạnh khi nhiệt độ bay hơi tăng.6 Ảnh hưởng của chênh lệch Hình 3.7 Tổn thất exergy của các nhiệt độ ở bình trung gian thành phần trong hệ thống 3.3 Phân tích exergy Hình 3.7 thể hiện tỷ lệ phần trăm tổn thất exergy của các thành phần thiết bị trong hệ thống. Tổn thất exergy trong ejector luôn lớn vì ma sát dòng chảy xảy ra bên trong ống phun, các quá trình hòa trộn và sóng xung kích bất thuận nghịch xảy ra ở thân ống. Thiết kế tối ưu hình học ejector là vấn đề mấu chốt để nâng cao hiệu quả hoạt động của ejector nói riêng và toàn bộ hệ thống nói chung.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ phát Hình 3.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ sinh ngưng tụ Hình 3.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ Hình 3.11 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi trung gian Tổn thất exergy tổng tăng khi nhiệt độ ngưng tụ tăng và nhiệt độ bay hơi giảm. Đối với ảnh hưởng của nhiệt độ trung gian: tổn thất exergy tổng nhỏ nhất đạt được là 1,5 kW tại nhiệt độ trung gian là 26,5°C trong điều kiện thí nghiệm.4 So sánh COP của chu trình tích hợp với COP của các chu trình đơn tương ứng Việc tích hợp chu trình ejector và chu trình máy lạnh có máy nén hơi vừa giúp nâng cao COP cho chu trình ejector, vừa tiết kiệm điện năng so với chu trình máy nén hơi truyền thống.
11 Trong điều kiện thí nghiệm, COPc tăng thêm 30,8% khi so sánh với COP của chu trình máy lạnh có máy nén hơi truyền thống và COPn tăng 122% so với COP của chu trình ejector truyền thống. Ngoài ra, công nén giảm 39,01% so với chu trình máy nén hơi thông thường.12 So sánh giữa COP của chu trình tích hợp và COP của từng chu trình đơn 3.2 Môi chất lạnh làm việc trong chu trình tích hợp Về phía tiểu chu trình máy nén, R410A được chọn vì có sẵn trên thị trường. Về phía tiểu chu trình ejector, R134a là môi chất phù hợp trong điều kiện Việt Nam vì an toàn, sẵn có, còn được sử dụng tại Việt Nam trong thời gian dài, tính chất nhiệt động và truyền nhiệt tốt. Ngoài ra, môi chất R134a cho nhiệt độ phát sinh tối ưu trong khoảng 70°C - 100°C, phù hợp với việc vận hành với các nguồn nhiệt có nhiệt thế thấp.