Nghiên cứu về việc tích hợp ejector nguồn nhiệt thấp vào máy lạnh để cải thiện hiệu suất điều hòa không khí

• Tác giả: Nguyễn Trung Kiên
• Người hướng dẫn: TS. Lê Chí Hiệp
• Trường học: Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Nhiệt
• Đề tài: Nghiên cứu tích hợp ejector vận hành bằng các nguồn nhiệt có nhiệt thế thấp vào máy lạnh có máy nén hơi để đáp ứng các nhu cầu về điều hòa không khí
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Ejector và chu trình điều hòa không khí bằng ejector
• 1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ejector
• 1.2.2. Môi chất lạnh làm việc trong chu trình ejector
• 1.2.3. Các công trình nghiên cứu có liên quan
• 1.2.3.1. Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng ejector
• 1.2.3.2. Nghiên cứu môi chất lạnh làm việc trong hệ thống ejector
• 1.2.3.3. Nghiên cứu chế độ hoạt động trong ejector
• 1.2.3.4. Nghiên cứu tối ưu hóa hình học ejector
• 1.2.3.5. Nâng cao hiệu quả làm việc của chu trình ejector
• 1.3. Tổng quan về chu trình tích hợp ejector – máy lạnh có máy nén hơi
• 1.3.1. Phương án 1: Máy nén được kết nối trực tiếp vào ejector
• 1.3.2. 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
• 1.4. Động lực thực hiện đề tài
• 1.4.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.4.2. Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ của đề tài
• 1.5. Đối tượng nghiên cứu
• 1.6. Phạm vi nghiên cứu
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 1.8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 2. 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
• 2.2. Cơ sở lý thuyết về ejector
• 2.2.1. Tính toán thiết kế ống phun
• 2.2.2. Tính toán, thiết kế buồng hòa trộn
• 2.2.3. Tính toán, thiết kế ống khuếch tán
• 2.3. Cơ sở lý thuyết về CFD
• 2.3.1. Các phương trình vi phân
• 2.3.2. Hệ thống lưới
• 2.3.3. Điều kiện biên
• 2.3.4. Mô hình rối 𝑘 − 𝜀
• 2.4. Kết quả tính toán bằng CFD
• 3. 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
• 3.1.1. Phương pháp
• 3.1.2. Phân tích năng lượng
• 3.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ phát sinh
• 3.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi
• 3.1.5. Ảnh hưởng của chênh lệch
• 3.1.6. Phân tích exergy
• 3.1.7. So sánh COP của chu trình tích hợp với COP của các chu trình đơn tương ứng
• 3.2. Môi chất lạnh làm việc trong chu trình tích hợp
• 3.3. Tính toán thiết kế ejector R134a làm việc trong chu trình tích hợp
• 3.3.1. Phương pháp
• 3.3.2. Kết quả tính toán
• 3.4. Thiết lập mô hình mô phỏng số ejector
• 3.4.1. Hình học ejector
• 3.4.2. Mô hình ejector trong ANSYS-FLUENT
• 3.4.3. Tính chất vật lý của môi chất
• 3.4.4. Các thiết lập khác
• 3.4.5. Kết quả mô phỏng số ejector
• 3.5. Tối ưu hóa hình học ejector R134a làm việc trong chu trình tích hợp
• 3.5.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ diện tích ejector
• 3.5.2. Ảnh hưởng của chiều dài thân ống
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM
• 4.1. Quá trình thí nghiệm
• 4.1.1. Thí nghiệm hiệu quả hoạt động của các ejector
• 4.1.2. Thí nghiệm khả năng tích hợp
• 4.2. Xây dựng mô hình thực nghiệm
• 4.3. Thông số điểm nút chu trình
• 4.4. Các thiết bị điều khiển và đo đạc
• 4.5. Xây dựng mô hình thí nghiệm khả năng tích hợp
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ SO SÁNH LÝ THUYẾT
• 5.1. Khoảng cách ống phun và thân ống tối ưu
• 5.2. Vận hành hệ thống
• 5.3. Thí nghiệm chu trình đơn
• 5.4. So sánh lý thuyết và thực nghiệm
• 5.4.1. So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng số 3D bằng phần mềm ANSYS-FLUENT
• 5.5. Thí nghiệm chu trình tích hợp
• 5.5.1. Thí nghiệm khả năng vận hành

I. Giới thiệu chung về Nghiên cứu

Luận án tiến sĩ này tập trung vào việc nghiên cứu khả năng tích hợp ejector, vận hành bằng nguồn nhiệt có nhiệt thế thấp, vào máy lạnh có máy nén hơi để đáp ứng nhu cầu điều hòa không khí. Mục tiêu chính là tìm kiếm giải pháp tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường hơn cho hệ thống điều hòa không khí, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu làm lạnh toàn cầu ngày càng tăng và nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt. Nghiên cứu này được thực hiện trong bối cảnh tiêu thụ năng lượng cho làm lạnh và điều hòa không khí chiếm tỷ lệ đáng kể trong tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu (khoảng 20% theo IIR), và con số này được dự đoán sẽ còn tăng cao hơn trong tương lai. Luận án đề cập đến tính cấp thiết của việc tìm kiếm các giải pháp thay thế cho hệ thống lạnh truyền thống, sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và giảm thiểu tác động đến môi trường. Việc sử dụng ejector, một thiết bị hoạt động dựa trên nguyên lý nhiệt động lực học, được xem là một hướng đi tiềm năng. Luận án cũng nhấn mạnh vào việc nghiên cứu này chưa được khai thác sâu tại Việt Nam, tạo nên tính mới và sự đóng góp cho lĩnh vực nghiên cứu này trong nước.

II. Cơ sở lý thuyết và Mô phỏng

Luận án trình bày chi tiết về cơ sở lý thuyết của chu trình ghép tầng ejector – máy lạnh nén hơi, bao gồm đồ thị T-s, các phương trình tính toán, và nguyên lý hoạt động của ejector. Phần này đi sâu vào phân tích quá trình nén và giãn nở trong ejector, cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của nó. "Do sự chênh lệch áp suất giữa bình phát sinh và dàn ngưng, dòng lưu động được đưa vào trong ejector…tốc độ dòng đạt đến mức siêu âm." Ngoài ra, luận án cũng đề cập đến việc sử dụng phương pháp mô phỏng số CFD để tối ưu hóa thiết kế ejector. Việc mô phỏng này giúp xác định các thông số hình học tối ưu cho ejector, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của toàn hệ thống. Phần này của luận án cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc cho việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm ejector trong thực tế. Việc sử dụng mô phỏng CFD cho phép tối ưu hóa thiết kế ejector trước khi tiến hành thực nghiệm, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.

III. Thiết kế Thực nghiệm và Kết quả

Chương 4 và 5 của luận án tập trung vào việc thiết lập mô hình thực nghiệm để kiểm chứng lý thuyết và đánh giá hiệu quả của việc tích hợp ejector vào hệ thống máy lạnh. Mô hình thực nghiệm được xây dựng với đầy đủ các thiết bị cần thiết, bao gồm bình phát sinh, bình ngưng, bình chứa lỏng, tháp giải nhiệt, và các thiết bị đo đạc, điều khiển. "Bốn ejector có tỷ lệ diện tích khác nhau được thử nghiệm và ejector có hiệu quả cao nhất được lựa chọn." Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống tích hợp ejector có khả năng tiết kiệm điện năng đáng kể, từ 21.7% đến 30.7%. Phần này của luận án chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng ejector vào hệ thống máy lạnh thực tế. Việc so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng số cũng được thực hiện để đánh giá độ chính xác của mô hình và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sai số.

IV. Kết luận và Đóng góp

Luận án kết luận rằng việc tích hợp ejector vận hành bằng nguồn nhiệt có nhiệt thế thấp vào máy lạnh nén hơi là một giải pháp tiềm năng để tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tác động đến môi trường. Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng ejector trong hệ thống điều hòa không khí, mở ra hướng nghiên cứu mới cho lĩnh vực này tại Việt Nam. "Kết quả tích hợp ejector vào máy lạnh máy nén hơi cho thấy hệ thống tích hợp có khả năng tiết kiệm 21,7%-30,7% lượng điện năng tiêu thụ." Đóng góp mới của luận án bao gồm việc xây dựng mô hình tính toán và mô phỏng số cho chu trình tích hợp, thiết kế và tối ưu hóa ejector R134a, và thực nghiệm đánh giá hiệu quả của hệ thống. Luận án cũng đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo, bao gồm việc nghiên cứu với các môi chất lạnh khác và tối ưu hóa hơn nữa thiết kế hệ thống. Nghiên cứu này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, góp phần vào việc phát triển các giải pháp năng lượng bền vững cho tương lai.