Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và đô thị hóa phát triển với tốc độ nhanh chóng, nhu cầu sử dụng các hệ thống lạnh công nghiệp và thương mại ngày càng gia tăng. Việc tiết kiệm điện năng tiêu thụ và cắt giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường nhằm hạn chế hiệu ứng nhà kính và sự suy giảm tầng ozone đã trở thành yêu cầu cấp thiết đối với ngành kỹ thuật nhiệt - điện lạnh. Các môi chất lạnh tự nhiên, tiêu biểu là $CO_2$ (R744) với chỉ số suy giảm tầng ozone $\text{ODP} = 0$ và chỉ số làm nóng lên toàn cầu $\text{GWP} = 1$, được đánh giá là giải pháp tiềm năng để thay thế các môi chất truyền thống. Khi kết hợp cùng môi chất R134a ($\text{ODP} = 0$) trong hệ thống lạnh ghép tầng, hệ thống có thể đáp ứng tốt các yêu cầu làm lạnh ở dải nhiệt độ từ trung bình đến rất thấp.

Đề tài "Nghiên cứu ứng dụng thiết bị hồi nhiệt trong chu trình lạnh ghép tầng sử dụng môi chất R134a/R744" được thực hiện trên cơ sở mô hình hệ thống lạnh ghép tầng sẵn có tại xưởng thực hành, vốn sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng dạng tấm hàn micro (MPHE). Nhóm tác giả tiến hành tính toán, thiết kế và tích hợp thêm một thiết bị hồi nhiệt dạng ống lồng ống xoắn cho chu trình tầng thấp ($CO_2$), nhằm khảo sát sự biến thiên của độ quá lạnh, độ quá nhiệt và đánh giá mức độ cải thiện hệ số hiệu quả năng lượng (COP) của hệ thống.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định theo 6 nội dung cụ thể:

  1. Tổng quan về các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan để thực hiện đề tài.
  2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về môi chất R744, R134a, chu trình ghép tầng và thiết bị hồi nhiệt.
  3. Đánh giá các thông số thực nghiệm thu được từ quá trình vận hành hệ thống.
  4. Thực hiện lấy số liệu trên mô hình hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất R134a/$CO_2$ lắp đặt thêm thiết bị hồi nhiệt tại xưởng Nhiệt – Điện lạnh trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
  5. Đưa ra được các kết quả thực nghiệm và kết luận về độ quá nhiệt, độ quá lạnh, hệ số hiệu quả năng lượng.
  6. Viết báo cáo đồ án tốt nghiệp và hoàn thiện sản phẩm mô hình thiết bị hồi nhiệt.

Mục tiêu cốt lõi của đề tài bao gồm việc đúc kết các kết quả tính toán thiết kế và số liệu thực nghiệm của hệ thống lạnh ghép tầng R134a/R744 có hồi nhiệt; so sánh định lượng hệ số COP trước và sau khi bổ sung thiết bị hồi nhiệt; đồng thời xem xét tính khả thi và khả năng ứng dụng thực tế của mô hình cải tiến.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống lạnh ghép tầng hai cấp sử dụng cặp môi chất R134a (tầng cao) và R744/$CO_2$ (tầng thấp), tập trung vào các thông số trạng thái nhiệt động tại các điểm nút, độ quá lạnh, độ quá nhiệt và chỉ số COP. Phạm vi nghiên cứu về không gian được giới hạn tại Xưởng Nhiệt – Điện lạnh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (Số 1 Võ Văn Ngân, TP. Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh). Điều kiện môi trường thực nghiệm có mái che với nhiệt độ không khí trung bình $t_{mt} = 30^\circ\text{C}$; thể tích khoang làm lạnh là $V = 0{,}6 \times 0{,}5 \times 0{,}5\text{ m}^3$. Về mặt kỹ thuật, nghiên cứu tập trung sâu vào chu trình tầng thấp $CO_2$ trong dải nhiệt độ bay hơi từ $-20^\circ\text{C}$ đến $-29^\circ\text{C}$, với độ chênh nhiệt độ tại bộ hồi nhiệt ghép tầng khảo sát từ $3^\circ\text{C}$ đến $8^\circ\text{C}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết dựa trên tính chất nhiệt vật lý của hai môi chất lạnh và nguyên lý nhiệt động học của chu trình ghép tầng:

  • Môi chất lạnh R744 ($CO_2$): Là môi chất tự nhiên, không màu, không mùi, nặng hơn không khí, không độc hại và không cháy nổ. R744 có $\text{ODP} = 0$, $\text{GWP} = 1$, nhiệt độ sôi ở áp suất tiêu chuẩn $1\text{ atm}$ là $-78^\circ\text{C}$, và nhiệt độ tới hạn là $31^\circ\text{C}$. Nhược điểm là áp suất vận hành rất cao, đòi hỏi đường ống và thiết bị phải có độ bền cơ học lớn.
  • Môi chất lạnh R134a: Là một môi chất nhóm hydrofluorocarbon (HFC) tinh khiết cấu tạo từ C, H và F, không chứa Clo nên $\text{ODP} = 0$. R134a không cháy nổ, không ăn mòn kim loại, có nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển là $-26{,}3^\circ\text{C}$, vận hành ở dải áp suất trung bình nhưng có nhược điểm là chỉ số tiềm năng làm nóng lên toàn cầu còn cao.
  • Chu trình lạnh ghép tầng (Cascade Refrigeration System): Kết hợp hai chu trình làm việc ở hai dải nhiệt độ khác nhau. Thiết bị bay hơi của chu trình tầng cao (HTC - High Temperature Circuit dùng R134a) đóng vai trò hấp thụ nhiệt để làm ngưng tụ môi chất của chu trình tầng thấp (LTC - Low Temperature Circuit dùng $CO_2$) thông qua thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng (MPHE). Cơ chế này giúp chu trình tầng thấp đạt được nhiệt độ bay hơi rất sâu mà không làm tăng tỷ số nén của từng máy nén riêng biệt lên mức quá cao.
  • Thiết bị hồi nhiệt (Internal Heat Exchanger - IHX): Cấu tạo dạng ống lồng ống không có bộ phận chuyển động. Thiết bị tận dụng dòng hơi lạnh có nhiệt độ thấp sau dàn bay hơi đi bên trong ống nhỏ để làm mát dòng môi chất lỏng áp suất cao từ thiết bị ngưng tụ chảy ngược chiều ở khoảng không gian giữa hai ống. Quá trình này giúp môi chất lỏng được quá lạnh sâu hơn trước khi đi vào van tiết lưu, đồng thời môi chất hơi được quá nhiệt hoàn toàn trước khi đi vào cửa hút máy nén, ngăn ngừa hiện tượng va đập thủy lực.

Các mô hình toán học và công thức tính toán nhiệt động được nhóm tác giả áp dụng:

  • Chu trình tầng thấp: Năng suất lạnh riêng $q_{o(LT)} = h_1 - h_6$ (kJ/kg); năng suất nhiệt riêng $q_{k(LT)} = h_3 - h_4$ (kJ/kg); lưu lượng khối lượng $m_{R744} = Q_o / q_{o(LT)}$ (kg/s); công nén riêng $l_{LTC} = h_3 - h_2$ (kJ/kg); công suất máy nén $L_{LTC} = l_{LTC} \times m_{R744}$ (kW); công suất động cơ điện $N_{LTC} = k \times L_{LTC} / (\eta_i \times \eta_e \times \eta_{td} \times \eta_{el})$ với hệ số an toàn $k = 1{,}1 \div 2{,}1$.
  • Chu trình tầng cao: Năng suất lạnh $Q_o$, lưu lượng khối lượng $m_{R134a}$, công nén riêng $l_{HTC} = h_8 - h_9$, công suất máy nén $L_{HTC} = l_{HTC} \times m_{R744}$, và công suất động cơ điện $N_{HTC}$.
  • Hệ số hiệu quả năng lượng toàn hệ thống: $\text{COP} = Q_o / (N_{LTC} + N_{HTC})$.
  • Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị hồi nhiệt: Phương trình cân bằng nhiệt $h_2 - h_1 = h_4 - h_5$; nhiệt lượng trao đổi $Q = k \times A \times \Delta t_{lm} = m \times \Delta h$; độ chênh nhiệt độ trung bình logarit $\Delta t_{lm} = (\Delta t_1 - \Delta t_2) / \ln(\Delta t_1 / \Delta t_2)$; hệ số truyền nhiệt tổng $k = 1 / (1/\alpha_1 + \delta/\lambda + 1/\alpha_2)$ được xác định thông qua các tiêu chuẩn đồng dạng Reynolds ($Re$), Prandtl ($Pr$) và Nusselt ($Nu$).

Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm: phương pháp tổng quan tài liệu để khảo sát các nghiên cứu liên quan; phương pháp tính toán lý thuyết và thiết kế nhiệt - thủy lực; phương pháp gia công chế tạo cơ khí; phương pháp thực nghiệm đo đạc các thông số vận hành trên mô hình; và phương pháp phân tích, xử lý dữ liệu thực nghiệm. Nguồn dữ liệu bao gồm các bảng tra cứu tính chất nhiệt động của môi chất $CO_2$ và R134a, cùng các dữ liệu thực tế thu nhận từ hệ thống cảm biến kỹ thuật số.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống thực nghiệm được phát triển và cải tiến trực tiếp từ mô hình lạnh ghép tầng có sẵn tại xưởng với các giải pháp kỹ thuật cụ thể:

  1. Triển khai bộ thu thập dữ liệu tập trung MX-100 nhằm thay thế hoàn toàn cho các đồng hồ và cảm biến nhiệt độ gắn rời, nâng cao độ chính xác và tính đồng thời của các phép đo.
  2. Tối ưu hóa và bố trí lại tuyến ống đồng giúp hệ thống nhỏ gọn, giảm tổn thất áp suất và giảm thiểu rung động trong quá trình vận hành.
  3. Chế tạo và lắp đặt bổ sung thiết bị hồi nhiệt ống lồng ống xoắn trên đường hút và đường lỏng của chu trình tầng thấp $CO_2$.
  4. Bổ sung bộ chuyển đổi cách ly tín hiệu điện áp và dòng điện để chuyển đổi tín hiệu áp suất dạng tương tự (analog) đưa về bộ thu thập dữ liệu MX-100 mà không bị nhiễu điện từ.

Thiết bị hồi nhiệt được thiết kế và chế tạo theo dạng ống lồng ống với dòng lưu động ngược chiều:

  • Ống ngoài: Làm bằng đồng đỏ có đường kính ngoài $d_2 = 19\text{ mm}$, chiều dài đoạn thân $L = 0{,}3\text{ m}$; hai đầu ống vào/ra có đường kính kết nối $6\text{ mm}$.
  • Ống trong: Gồm 3 ống đồng nhỏ có đường kính trong $d_1 = 4\text{ mm}$, chiều dài mỗi ống $0{,}4\text{ m}$, chiều dày thành ống $\delta = 0{,}0007\text{ m}$ ($0{,}7\text{ mm}$), được uốn xoắn lồng vào nhau theo dạng lò xo đặt bên trong ống $19\text{ mm}$.
  • Thông số truyền nhiệt tính toán: Hệ số tỏa nhiệt trong ống $\alpha_1 = 1985\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$; hệ số tỏa nhiệt khoảng ngoài $\alpha_2 = 418\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$; hệ số truyền nhiệt tổng $k = 343\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$; độ chênh nhiệt độ trung bình logarit $\Delta t_{lm} = 27^\circ\text{C}$; công suất nhiệt trao đổi $Q = 56\text{ W}$; tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt tính toán $F = 0{,}011\text{ m}^2$.

Trang thiết bị đo lường và kiểm thử bao gồm:

  • Bộ xử lý và thu thập tín hiệu Yokogawa MX-100: Sử dụng nguồn điện xoay chiều AC 220V, kết nối trực tiếp với máy tính thông qua phần mềm MX100 Standard để quan sát, ghi chép và trích xuất dữ liệu trực tuyến.
  • Cảm biến nhiệt độ: Cặp nhiệt điện thermocouple loại T được gắn chặt và bọc cách nhiệt tại 5 vị trí đo trên hệ thống: (1) Trước van tiết lưu, (2) Trước đầu hút máy nén, (3) Sau thiết bị trao đổi nhiệt, (4) Sau van tiết lưu, (5) Sau thiết bị bay hơi.
  • Cảm biến áp suất: Đo áp suất tại các điểm nút, truyền tín hiệu điện áp/dòng điện qua bộ chuyển đổi cách ly tín hiệu 2 ngõ ra (hỗ trợ các dải $4\text{--}20\text{ mA}$, $0\text{--}5\text{ V}$, $0\text{--}10\text{ V}$), gắn trên thanh DIN rail tủ điện để truyền về MX-100.
  • Thiết bị đo lưu lượng tầng thấp: Đồng hồ đo lưu lượng thể tích môi chất $CO_2$ hút về máy nén, áp suất làm việc tối đa $63\text{ MPa}$, dải nhiệt độ $-40^\circ\text{C} \div 45^\circ\text{C}$, sai số $\pm 1 \div 2{,}5%$, nguồn cấp DC 24V.
  • Thiết bị đo lưu lượng tầng cao: Lưu lượng kế dạng turbine (Turbine Flow Meter) kết hợp bộ hiển thị Flow Control Indicator; dải đo $400 \div 5000\text{ l/h}$, độ chính xác $0{,}5%$, áp suất làm việc tối đa $500\text{ bar}$, đơn vị xung $0{,}0027\text{ l/phút}$, nhiệt độ làm việc $-40^\circ\text{C} \div 80^\circ\text{C}$, nguồn cấp $3 \div 24\text{ VDC}$.
  • Ampe kìm: Đo dòng điện máy nén và điện áp quạt dàn lạnh với các dải đo dòng xoay chiều AC lên đến 1000A (mở rộng 4200A), điện áp AC/DC từ 0 đến 600V, điện trở đến $42\text{ M}\Omega$.

Quy trình thu thập dữ liệu thực nghiệm được chuẩn hóa qua 3 bước:

  • Bước 1: Khởi động hệ thống lạnh ghép tầng theo trình tự khởi động chu trình tầng cao R134a trước để tạo môi trường ngưng tụ, sau đó mới bật chu trình tầng thấp $CO_2$.
  • Bước 2: Điều chỉnh các van tiết lưu của hai chu trình kết hợp theo dõi áp kế, lưu lượng kế và nhiệt độ hiển thị trên giao diện phần mềm MX100 Standard để hệ thống tiến vào trạng thái làm việc ổn định theo thiết kế.
  • Bước 3: Khi nhiệt độ bay hơi ở chu trình tầng thấp hạ xuống mức $-20^\circ\text{C}$, tiến hành ghi nhận toàn bộ giá trị nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và công suất điện tiêu thụ. Tiếp tục điều chỉnh để hạ dần nhiệt độ bay hơi, mỗi bước hạ $1^\circ\text{C}$, ghi nhận số liệu tuần tự từ $-20^\circ\text{C}$ xuống $-29^\circ\text{C}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc nghiên cứu các chu trình lạnh hiệu suất cao sử dụng môi chất thân thiện môi trường $CO_2$ và R134a. Tác giả tổng hợp chi tiết các công trình nghiên cứu trong nước (như nghiên cứu của Dang Thanh-Trung và cộng sự về bộ quá lạnh trong hệ thống R744 với COP đạt 6,6 đến 7,2 và khảo sát ngưng tụ trong kênh micro) và quốc tế (Martinez về bơm nhiệt R744 xuyên tới hạn; Zhang về IHX trong hệ thống R744 giúp tăng 13,8% hiệu quả năng lượng; Son Chang-Hyo về ảnh hưởng của kích thước bộ hồi nhiệt; Llopis về chu trình ghép tầng HFC134a/$CO_2$; Goodarzi về chu trình $CO_2$ tích hợp ejector tăng COP 26,89%; Manjili; Nebot-Andres; Chen; Bingming về hệ NH3/$CO_2$; Song; Patel về tối ưu hóa C3H8/$CO_2$). Từ khoảng trống nghiên cứu thực nghiệm về bộ hồi nhiệt ống xoắn trên hệ ghép tầng R134a/$CO_2$ tại Việt Nam, chương 1 xác lập mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phương pháp tiếp cận của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 phân tích chuyên sâu các tính chất nhiệt động học của môi chất R744 (nhiệt độ sôi $-78^\circ\text{C}$, điểm tới hạn $31^\circ\text{C}$, năng suất lạnh thể tích lớn, áp suất làm việc cao) và môi chất R134a (nhiệt độ sôi $-26{,}3^\circ\text{C}$, an toàn, không cháy). Chương này làm rõ nguyên lý ghép tầng qua thiết bị trao đổi nhiệt trung gian (MPHE) nhằm giải quyết bài toán chênh lệch áp suất lớn và hạ sâu nhiệt độ bay hơi. Đồng thời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị hồi nhiệt ống lồng ống xoắn được phân tích dưới góc độ truyền nhiệt và nhiệt động học chất lưu.

Chương 3: Tính toán thiết kế

Chương 3 thiết lập hệ thống công thức tính toán cân bằng nhiệt, công nén, năng suất lạnh, lưu lượng và hệ số COP cho chu trình tầng thấp, tầng cao và toàn hệ thống. Tác giả tính toán chi tiết thiết bị hồi nhiệt cho chu trình $CO_2$ tại năng suất lạnh danh định $Q_o = 1{,}5\text{ kW}$, lưu lượng $m_{R744} = 0{,}007\text{ kg/s}$, độ khô $x = 0{,}5$. Kết quả tính toán nhiệt và thủy lực xác định chuẩn số Reynolds $Re = 10671$, chuẩn số Nusselt $Nu = 54$, hệ số truyền nhiệt tổng $k = 343\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$, diện tích trao đổi nhiệt $F = 0{,}011\text{ m}^2$, tương ứng với kết cấu 1 ống ngoài đường kính $19\text{ mm}$ (dài $0{,}3\text{ m}$) chứa 3 ống xoắn trong đường kính $4\text{ mm}$ (dài $0{,}4\text{ m}$). Đồng thời, chương 3 xác lập bảng thông số trạng thái tại 6 điểm nút chu trình tầng thấp trước và sau khi có hồi nhiệt.

Chương 4: Thiết lập thực nghiệm

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thi công, lắp đặt và bố trí hệ thống thực nghiệm tại Xưởng Nhiệt – Điện lạnh. Tác giả trình bày chi tiết thông số kỹ thuật của cụm thiết bị đo lường gồm bộ thu thập Yokogawa MX-100, cảm biến cặp nhiệt loại T bố trí tại 5 vị trí, cảm biến áp suất, bộ chuyển đổi cách ly tín hiệu chống nhiễu, lưu lượng kế tầng thấp và tầng cao dạng turbine. Chương này mô tả quy trình vận hành lấy số liệu 3 bước và công bố bảng số liệu đo đạc thực nghiệm ban đầu của 10 chế độ khi chưa lắp thiết bị hồi nhiệt (nhiệt độ bay hơi từ $-20^\circ\text{C}$ đến $-29^\circ\text{C}$).

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã đưa ra các kết quả tính toán nhiệt động lý thuyết và số liệu đo đạc thực nghiệm trước và sau khi lắp đặt thiết bị hồi nhiệt cho chu trình tầng thấp $CO_2$.

Điểm nút Trạng thái môi chất Nhiệt độ trước lắp ($^\circ\text{C}$) Enthalpy trước lắp (kJ/kg) Nhiệt độ sau lắp ($^\circ\text{C}$) Enthalpy sau lắp (kJ/kg)
1 / 1' Hơi bão hòa khô -29 437 -29 437
2 / 2' Hơi quá nhiệt -18 445 -18 445
3 / 3' Hơi quá nhiệt sau máy nén 51 491 51 492
4 / 4' Lỏng bão hòa 8 220 8 220
5 / 5' Lỏng bão hòa (sau làm mát/hồi nhiệt) 3 207 2 202
6 / 6' Hơi bão hòa ẩm (sau tiết lưu) -29 223 -29 223

Tại điều kiện tính toán lý thuyết với năng suất lạnh $Q_o = 1{,}5\text{ kW}$, năng suất lạnh riêng đạt $q_{o(LT)} = 214\text{ kJ/kg}$, lưu lượng môi chất $m_{R744} = 0{,}007\text{ kg/s}$, công nén riêng $l_{LTC} = 46\text{ kJ/kg}$, công suất máy nén tầng thấp $L_{LTC} = 0{,}32\text{ kW}$. Sau khi lắp thiết bị hồi nhiệt, điểm trạng thái lỏng trước khi vào van tiết lưu hạ từ $8^\circ\text{C}$ ($220\text{ kJ/kg}$) xuống $2^\circ\text{C}$ ($202\text{ kJ/kg}$), làm tăng đáng kể độ quá lạnh của chu trình.

Số liệu đo đạc thực nghiệm trước khi lắp thiết bị hồi nhiệt trên 10 chế độ vận hành (nhiệt độ bay hơi tầng thấp từ $-20^\circ\text{C}$ đến $-29^\circ\text{C}$) được tổng hợp như sau:

Trường hợp $T$ trước tiết lưu ($^\circ\text{C}$) $T$ ngưng tụ tầng thấp ($^\circ\text{C}$) $T$ sau bay hơi ($^\circ\text{C}$) $T$ bay hơi tầng thấp ($^\circ\text{C}$) Độ quá lạnh ($^\circ\text{C}$) Độ quá nhiệt ($^\circ\text{C}$)
1 3,4 5,85 -15 -20 2,4 5
2 4,5 6,95 -16 -21 2,4 5
3 5,5 7,83 -17 -22 2,3 5
4 4,7 7,90 -17 -23 3,2 6
5 4,0 6,92 -18 -24 2,9 6
6 2,3 6,10 -20 -25 3,8 5
7 4,0 7,76 -21 -26 3,7 5
8 4,9 8,17 -21 -27 3,2 6
9 3,6 6,30 -22 -28 2,7 6
10 2,8 5,95 -24 -29 3,1 5

Các phát hiện chính từ thực nghiệm:

  • Khi chưa có hồi nhiệt, độ quá lạnh thực tế dao động từ $2{,}3^\circ\text{C}$ đến $3{,}8^\circ\text{C}$, độ quá nhiệt duy trì ở mức $5^\circ\text{C} \div 6^\circ\text{C}$. Khi lắp đặt thiết bị hồi nhiệt, độ quá lạnh tăng lên rõ rệt, nhiệt độ trước van tiết lưu giảm xuống, giúp tăng năng suất lạnh riêng của chu trình tầng thấp.
  • Khảo sát biến thiên nhiệt độ cho thấy hệ số COP của hệ thống phụ thuộc mật thiết vào độ chênh nhiệt độ tại bộ trao đổi nhiệt ghép tầng và độ chênh nhiệt độ tại bộ hồi nhiệt (thay đổi từ $3^\circ\text{C}$ đến $8^\circ\text{C}$). Nhóm tác giả đã xác lập được xu hướng phụ thuộc của COP dưới dạng hàm số theo các độ chênh nhiệt độ này, từ đó chỉ ra phương pháp điều chỉnh độ chênh nhiệt độ tại bộ hồi nhiệt để COP của hệ thống ghép tầng R134a/$CO_2$ đạt giá trị tối ưu.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài:

  • Chế tạo thành công thiết bị hồi nhiệt ống lồng ống xoắn có kích thước nhỏ gọn (diện tích $0{,}011\text{ m}^2$) phù hợp với công suất thực tế của mô hình ghép tầng phòng thí nghiệm.
  • Cải tiến hệ thống thu nhận dữ liệu bằng việc tích hợp bộ Yokogawa MX-100 và bộ cách ly dòng/áp, loại bỏ nhiễu tín hiệu và nâng cao độ tin cậy của các phép đo áp suất, nhiệt độ, lưu lượng.
  • Cung cấp tập dữ liệu thực nghiệm về thông số làm việc của chu trình R134a/R744 trong dải nhiệt độ bay hơi thấp từ $-20^\circ\text{C}$ đến $-29^\circ\text{C}$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Từ nội dung và phạm vi nghiên cứu được công bố trong văn bản, đề tài còn tồn tại một số hạn chế:

  • Phạm vi thực nghiệm bị giới hạn trong không gian khoang lạnh quy mô nhỏ ($0{,}6 \times 0{,}5 \times 0{,}5\text{ m}^3$) tại phòng thí nghiệm, chưa đánh giá hệ thống dưới các điều kiện phụ tải nhiệt thay đổi liên tục của các kho lạnh thương mại hoặc công nghiệp.
  • Chu trình tầng cao vẫn sử dụng môi chất R134a. Mặc dù R134a không phá hủy tầng ozone ($\text{ODP} = 0$), môi chất này vẫn có chỉ số GWP tương đối cao, chưa đạt mức thân thiện môi trường hoàn toàn như các môi chất tự nhiên.
  • Theo phân tích từ số liệu thực nghiệm, sự khác biệt của hệ số COP trong một số dải nhiệt độ bay hơi cụ thể (từ $-29^\circ\text{C}$ đến $-27^\circ\text{C}$ và từ $-26^\circ\text{C}$ đến $-20^\circ\text{C}$) thể hiện trên đồ thị chưa thực sự rõ rệt.
  • Việc lắp đặt thêm thiết bị hồi nhiệt ống lồng ống xoắn gây ra tổn thất áp suất bổ sung trên đường ống hút của môi chất $CO_2$, ảnh hưởng nhất định đến công suất nén của máy nén tầng thấp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được xác định dựa trên giới hạn đề tài:

  • Nghiên cứu thay thế môi chất tầng cao R134a bằng các môi chất lạnh tự nhiên có GWP thấp hơn như Propane (R290) hoặc Amoniac (R717) để tạo thành hệ thống lạnh ghép tầng hoàn toàn tự nhiên.
  • Tối ưu hóa kích thước hình học của thiết bị hồi nhiệt (đường kính ống, bước xoắn lò xo và chiều dài) nhằm giảm thiểu tổn thất áp suất dòng hơi hút tầng thấp.
  • Mở rộng dải đo thực nghiệm với nhiều mức nhiệt độ môi trường và điều kiện tải lạnh khác nhau ngoài phòng thí nghiệm.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích đối với:

  • Sinh viên, học viên cao học và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Nhiệt - Điện lạnh làm đề tài tốt nghiệp hoặc nghiên cứu về chu trình ghép tầng và ứng dụng môi chất tự nhiên R744 ($CO_2$).
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống lạnh công nghiệp nhiệt độ thấp (hệ thống cấp đông, kho lạnh bảo quản thực phẩm, hệ thống lạnh siêu thị).

Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất bao gồm:

  • Quy trình tính toán thiết kế chi tiết thiết bị hồi nhiệt dạng ống lồng ống xoắn lò xo trong Chương 3, bao gồm việc ứng dụng các tiêu chuẩn đồng dạng $Re, Pr, Nu$ và phương pháp chênh lệch nhiệt độ logarit $\Delta t_{lm}$.
  • Phương pháp xây dựng hệ thống đo lường và thu thập dữ liệu thực nghiệm tự động trong Chương 4, đặc biệt là giải pháp kết nối bộ thu thập MX-100 với bộ cách ly tín hiệu dòng - áp ($4\text{--}20\text{ mA} / 0\text{--}10\text{ V}$) trên thanh DIN rail để đo áp suất chính xác và chống nhiễu.
  • Quy trình vận hành và kiểm soát chế độ làm việc của hai chu trình độc lập trong hệ thống lạnh ghép tầng.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước hình học và thông số thiết kế của thiết bị hồi nhiệt được chế tạo trong đồ án là bao nhiêu? Thiết bị hồi nhiệt dạng ống lồng ống có ống đồng lớn bên ngoài đường kính $19\text{ mm}$ (dài $0{,}3\text{ m}$); bên trong lồng 3 ống đồng nhỏ đường kính trong $4\text{ mm}$ (dài $0{,}4\text{ m}$), thành ống dày $0{,}7\text{ mm}$ ($0{,}0007\text{ m}$), được uốn xoắn dạng lò xo. Tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt tính toán là $F = 0{,}011\text{ m}^2$, hệ số truyền nhiệt tổng $k = 343\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$, độ chênh nhiệt độ trung bình logarit $\Delta t_{lm} = 27^\circ\text{C}$ và công suất truyền nhiệt đạt $Q = 56\text{ W}$.

2. Các cảm biến nhiệt độ được bố trí tại những vị trí nào trên hệ thống thực nghiệm? Năm vị trí gắn cảm biến cặp nhiệt loại T bao gồm:

  • Vị trí 1: Trước van tiết lưu.
  • Vị trí 2: Trước đầu hút máy nén.
  • Vị trí 3: Sau thiết bị trao đổi nhiệt.
  • Vị trí 4: Sau van tiết lưu.
  • Vị trí 5: Sau thiết bị bay hơi.

3. Ở chu trình tầng thấp $CO_2$, thông số trạng thái lỏng trước van tiết lưu thay đổi thế nào sau khi lắp thiết bị hồi nhiệt? Theo tính toán cân bằng nhiệt lý thuyết, trước khi lắp thiết bị hồi nhiệt, môi chất lỏng tại điểm nút 5 có nhiệt độ $3^\circ\text{C}$ và enthalpy $207\text{ kJ/kg}$. Sau khi lắp thiết bị hồi nhiệt, dòng lỏng từ thiết bị ngưng tụ qua bộ hồi nhiệt (điểm 5') được quá lạnh sâu xuống mức nhiệt độ $2^\circ\text{C}$ với enthalpy giảm còn $202\text{ kJ/kg}$ (giảm $18\text{ kJ/kg}$ so với trạng thái lỏng bão hòa ban đầu tại điểm 4 là $220\text{ kJ/kg}$).

4. Vì sao hệ thống thực nghiệm cần bổ sung bộ cách ly tín hiệu chuyển đổi dòng áp? Bộ chuyển đổi cách ly tín hiệu ($4\text{--}20\text{ mA} / 0\text{--}5\text{ V} / 0\text{--}10\text{ V}$) tích hợp 2 ngõ ra được lắp đặt trên thanh DIN rail nhằm cách ly điện thế giữa nguồn cấp, tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra. Thiết bị này giúp triệt tiêu nhiễu điện từ từ các động cơ máy nén và thiết bị điện trong xưởng, đảm bảo tín hiệu điện áp chuyển đổi từ cảm biến áp suất truyền về bộ thu thập dữ liệu MX-100 luôn ổn định, chính xác và an toàn.

5. Quy trình khởi động và lấy dữ liệu thực nghiệm trên hệ thống lạnh ghép tầng diễn ra như thế nào? Hệ thống được khởi động theo trình tự chu trình tầng cao (R134a) chạy trước, chu trình tầng thấp ($CO_2$) chạy sau. Người vận hành điều chỉnh các van tiết lưu kết hợp quan sát áp kế, lưu lượng kế và tín hiệu trên phần mềm MX100 Standard. Khi nhiệt độ bay hơi tầng thấp đạt $-20^\circ\text{C}$, số liệu ban đầu được ghi nhận; sau đó nhiệt độ bay hơi được hạ dần từng mức $1^\circ\text{C}$ từ $-20^\circ\text{C}$ xuống $-29^\circ\text{C}$ để đo đạc các thông số tương ứng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành việc nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo thành công thiết bị hồi nhiệt dạng ống lồng ống xoắn với diện tích trao đổi nhiệt $0{,}011\text{ m}^2$ cho chu trình tầng thấp $CO_2$ trong hệ thống lạnh ghép tầng R134a/R744. Thiết bị hồi nhiệt giúp tăng độ quá lạnh của môi chất lỏng trước van tiết lưu và đảm bảo độ quá nhiệt cho hơi hút về máy nén, tác động trực tiếp đến việc cải thiện hệ số hiệu quả năng lượng COP của chu trình. Mô hình thực nghiệm tại xưởng được cải tiến đồng bộ với hệ thống đo tự động Yokogawa MX-100 và bộ cách ly tín hiệu chống nhiễu, cho phép thu thập số liệu ổn định trong dải nhiệt độ bay hơi từ $-20^\circ\text{C}$ đến $-29^\circ\text{C}$. Các kết quả và phương pháp tính toán trong đồ án đóng góp cơ sở dữ liệu thực nghiệm có giá trị cho việc phát triển và ứng dụng môi chất tự nhiên $CO_2$ trong kỹ thuật lạnh nhiệt độ thấp.