CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong đời sống hiện nay, hệ thống lạnh có vai trò vô cùng quan trọng, đặc biệt là trong rất nhiều lĩnh vực. Xã hội đương thời đang phát triển với tốc độ cực nhanh, và đô thị hóa ngày càng gia tăng. Việc tiết kiệm điện năng và giảm thiểu lượng khí CO 2 và các hóa chất độc hại thải ra môi trường là rất cấp thiết, nhằm để hạn chế hiệu ứng nhà kính và sự tàn phá tầng ozone.
Các môi chất như CO2, có chỉ số ODP = 0 và GWP = 1, cùng với môi chất R134a, có ODP = 0, được sử dụng phổ biến trong hệ thống làm lạnh với nhiệt độ từ trung bình đến thấp. Từ đề tài thí nghiệm về hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất R134a/R744 sử dụng bộ hồi nhiệt dùng tấm hàn. Nhóm chúng em đã tiến hành thực hiện tính toán, thiết kế và lắp đặt thêm một bộ hồi nhiệt dạng ống lồng ống cho phía tầng thấp CO2 của hệ thống. Từ đó đưa ra được đánh giá và tổng quan về hệ số hiệu quả năng lượng khi sử dụng thiết bị hồi nhiệt trong hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO2.
Tình hình nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu trong nước ThanhTrung Dang và các cộng sự [1] đã nghiên cứu thực hiện thí nghiệm về quá trình quá lạnh trong hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất R744, với mục đích tối ưu hệ thống bằng việc sử dụng thiết bị hồi nhiệt. Mẫu thí nghiệm nghiên cứu của họ bao gồm một máy nén CO2, một bộ quá lạnh, một van tiết lưu nhiệt và một thiết bị hồi nhiệt. Bộ quá lạnh có hai phiên bản là S1 và S2, trong đó S2 có diện tích bề mặt truyền nhiệt gấp đôi so với S1.
Kết quả cho thấy, với bộ quá lạnh S1, hệ số hiệu suất COP đạt được là 6,6 với điều kiện áp suất bay hơi 44 bar, áp suất bộ quá lạnh là 75 bar và nhiệt độ quá lạnh là 28,6°C. Ngược lại, với bộ quá lạnh S2, COP đạt 7,2 với các mức áp suất bay hơi 44 bar, áp suất bộ quá lạnh 75 bar và nhiệt độ quá lạnh 26°C. Ngoài ra, ThanhTrung Dang và cộng sự [2] đã thí nghiệm về sự ngưng tụ trong các kênh micro nằm ngang, sử dụng hai thiết bị ngưng tụ kênh micro tên là M1 và M2, có các thông số kỹ thuật khác nhau giữa nền và kênh. Cụ thể, họ sử dụng 10 kênh micro ở phía trên và phía dưới, được ngưng tụ bởi một ống góp hình nón có chiều rộng 2,5 mm và độ sâu 500μm.
Khi tốc độ dòng hơi nước của hai thiết bị ngưng tụ kênh micro tăng lên thì độ 1 giảm áp suất cũng tăng lên. Ở thiết bị ngưng tụ M1, tốc độ khối lượng dòng hơi tăng từ 0,0264 g/s lên 0,0721 g/s khi độ giảm áp suất tăng từ 1,257 Pa lên 11,181 Pa. Đồng thời, ở thiết bị ngưng tụ M2, tốc độ khối lượng dòng hơi tăng từ 0,0264 g/s lên 0,0572 g/s khi độ giảm áp suất tăng từ 6,105 Pa lên 45,216 Pa. Kết quả cho thấy hiệu suất ngưng tụ của kênh micro giảm khi tăng độ dài kênh và cũng giảm khi tăng tốc độ khối lượng dòng hơi.
Từ tổng thể các công trình nghiên cứu trong nước, các thí nghiệm và nghiên cứu đối với hệ thống lạnh ghép tầng R134a/R744 và các thiết bị hồi nhiệt nhỏ gọn đã được công bố. Tuy nhiên, dữ liệu nghiên cứu liên quan đến hệ thống các thiết bị thu hồi nhiệt có sử dụng điểm nút nhiệt động và lưu lượng môi chất lạnh tuần hoàn trong hệ thống vẫn còn khá ít thông tin. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Martínez cùng các cộng sự [3] đã đánh giá thực nghiệm mô phỏng và cho kết quả bơm nhiệt R744 (CO2) xuyên tới hạn là giải pháp làm giảm tiềm năng nóng lên toàn cầu và có hiệu quả cao. Zhang cùng các cộng sự [4] đã trình bày một đánh giá toàn diện về bộ trao đổi nhiệt IHX, tiếp theo là thảo luận về kết quả thí nghiệm về vai trò của bộ trao đổi nhiệt trong hệ thống điều hòa không khí R744.
Ảnh hưởng của lượng diện tích môi chất lạnh ( diện tích trao đổi nhiệt đến hiệu suất của cả hệ thống trong hai trường hợp bao gồm hệ thống trao đổi nhiệt cơ bản và hệ thống sử dụng bộ hồi nhiệt đã được nghiên cứu). Ngoài ra, các phương trình điều khiển nhằm tối ưu hóa COP đã được phát triển và sử dụng cho cả hai hệ thống trên. Dữ liệu thí nghiệm cho thấy cải thiện tới 13,8% hiệu quả năng lượng bằng cách thêm vào bộ hồi nhiệt. Chang-Hyo Son cùng cộng sự [5] đã xem xét ảnh hưởng của bộ hồi nhiệt đến hiệu quả của hệ thống lạnh.
Trong một số trường hợp, mang lại hiệu suất hệ thống được cải thiện trong khi trong các trường hợp khác, chúng làm giảm hiệu suất hệ thống. Một mô hình toán học trạng thái ổn định được sử dụng để phân tích các đặc tính hiệu suất của hệ thống lạnh với bộ hồi nhiệt. Ảnh hưởng của các điều kiện hoạt động, chẳng hạn như áp suất làm mát ngưng tụ, nhiệt độ bay hơi và hơi quá nhiệt trong thiết bị bay hơi và nhiệt độ đầu ra của bộ làm mát ngưng tụ, đến kích thước tối ưu của bộ trao đổi nhiệt cũng được phân tích. Các kết quả chính được tóm tắt như sau: lưu lượng khối lượng của R744, đường kính ống trong và chiều dài của bộ hồi nhiệt, và hiệu quả có ảnh hưởng đến công suất làm 2 mát.
Với sự nắm bắt kỹ lưỡng về những hiệu ứng này, cần thiết kế chu trình làm lạnh nén R744 bằng cách sử dụng bộ hồi nhiệt. Llopis cùng các cộng sự [6] đã phân tích và định lượng các tác động gây ra bởi việc sử dụng bộ hồi nhiệt tại chu trình tới hạn CO2 trong nhà máy làm lạnh ghép tầng HFC134a/CO2 kết hợp bộ làm mát khí ở lối ra của máy nén nhiệt độ thấp. Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trước đây cho thấy bộ hồi nhiệt làm giảm khả năng làm lạnh và COP của chu trình dưới tới hạn, tuy nhiên, người ta thấy rằng nó cũng làm giảm đi nhiệt thải ra từ thiết bị ngưng tụ. Việc làm giảm này, khi chu trình là một phần của hệ thống ghép tầng, cho phép giảm tải nhiệt của chu trình nhiệt độ cao, sửa đổi điều kiện làm việc của nhà máy tầng.
Goodarzi và các cộng sự [7] đã nghiên cứu hiệu suất của chu trình làm lạnh CO2, bao gồm thiết bị hồi nhiệt, bộ làm mát trung gian, ejector và bộ tách. Chu trình ban đầu được điều chỉnh bằng cách trích xuất hơi bão hòa từ bộ tách đến bộ làm mát trung gian. Kết quả cho thấy chu trình được điều chỉnh đã cải thiện COP lên đến 26,89% so với chu trình ban đầu trong cùng điều kiện hoạt động. Đồng thời, tỷ lệ phá hủy exergy trung bình giảm 18,6% so với chu trình ban đầu.
Manjili cùng cộng sự [8] đã nghiên cứu mô tả một chu trình làm lạnh CO2 hai giai đoạn với hai ejector. Ở chu trình nghiên cứu này, hơi được nén theo hai giai đoạn và mỗi dây chuyền nén hơi bao gồm một ejector riêng biệt. Họ sử dụng phần mềm Engineering Equation Solver (EES) để phân tích nhiệt động lực học và exergetic của chu trình. Kết quả cho thấy sự cải thiện COP từ 20% đến 80% so với chu trình phổ thông.
Nebot - Andres và các cộng sự [9] đã tiến hành thí nghiệm để xác định các điều kiện hoạt động tối ưu của hệ thống làm lạnh CO2 tích hợp cơ chế quá lạnh. Họ đã thực hiện các thí nghiệm ở nhiều áp suất và mức độ quá lạnh khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất COP trong điều kiện nhiệt độ môi trường là 25oC; 30,4oC và 35,1oC, cùng với nhiệt độ bay hơi từ -15,6oC đến -4,1oC. Kết quả tối ưu về hệ số COP và công suất làm lạnh được thể hiện trong Bảng 1. Tối ưu COP và công suất lạnh [9] Nhiệt độ glycol Công suất lạnh tối ưu COP tối ưu (oC) (kW) -1,3 1,4 đến 1,87 6,5 đến 7,7 3,8 1,56 đến 2,13 7,3 đến 8,9 10 1,81 đến 2,48 8,6 đến 10,3 Chen cùng các cộng sự [10] đã thí nghiệm với hệ thống làm lạnh xuyên tới hạn CO2 sử dụng rôto kép và máy nén làm mát trung gian cho ô tô.
Họ đã phân tích hiệu suất của hệ thống dựa trên các điều kiện hoạt động điển hình, so sánh với chu kỳ cơ bản. Họ kết luận rằng hiệu suất của hệ thống gần như bằng với chu trình cơ bản ở nhiệt độ môi trường là 35°C, trong khi hệ thống này có ưu thế vượt trội rõ rệt hơn ở nhiệt độ 45°C, với việc tăng 19,8% trong công suất làm mát tối đa và 12,8% trong COP tối đa. Bingming và cộng sự [11] đã nghiên cứu so sánh hiệu suất của hệ thống làm lạnh ghép tầng bằng amoniac và carbon dioxide (NH3/CO2) với máy nén trục vít hai cấp. Nghiên cứu này so sánh hiệu suất của hệ thống trên với hệ thống hai cấp sử dùng amoniac (NH3) và hệ thống amoniac một cấp có hoặc không có bộ tiết kiệm năng lượng.
Kết quả chỉ ra rằng hệ thống làm lạnh ghép tầng NH3/CO2 có hiệu suất COP cao nhất khi nhiệt độ bay hơi dưới -40°C. Hơn nữa, hiệu suất của hệ thống làm lạnh ghép tầng bị tác động mạnh mẽ bởi nhiệt độ bay hơi, sự gia tăng nhiệt độ ngưng tụ của chu trình nhiệt độ thấp, độ chênh lệch nhiệt độ của bộ trao đổi nhiệt tầng và mức độ quá nhiệt. Song và các cộng sự [12] đã nghiên cứu so sánh hiệu suất giữa hai hệ thống sưởi ấm không gian: kết hợp R134a/R744 và ghép tầng R134a/R744, dưới cùng một điều kiện vận hành. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hệ thống ghép tầng có hiệu suất cao hơn khi nhiệt độ môi trường thấp, trong khi hệ thống kết hợp lại hoạt động hiệu quả hơn ở điều kiện nhiệt độ môi trường cao và sự chênh lệch nhiệt độ đầu vào và đầu ra của nước nóng lớn.
Kết quả này mang đến cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu một hướng dẫn hữu ích trong việc lựa chọn hệ thống phù hợp nhất cho từng điều kiện hoạt động cụ thể. Patel cùng các cộng sự [13] đã tiến hành một nghiên cứu phân tích nhằm đánh giá hiệu quả của việc tối ưu hóa và so sánh hai hệ thống làm lạnh sử dụng cặp môi chất 4 NH3/CO2 và C3H8/CO2. Quá trình tối ưu hóa này được thiết lập dựa trên tổng chi phí hàng năm và sự phá hủy exergy thấp nhất, thông qua việc sử dụng thuật toán tìm kiếm truyền nhiệt.