Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu thực nghiệm về hệ thống lạnh R134A và CO2

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng r134a co2, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Lê Thị Bảo Hà
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Thành Trung
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Nhiệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Thực Nghiệm Xác Định Các Thông Số Nhiệt Động Hệ Thống Lạnh Ghép Tầng R134A/CO2
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2. Mục đích nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng và giới hạn đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Lý thuyết về môi chất lạnh CO2 và R134a
• 1.6. Lý thuyết về hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2
• 2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• 2.1. Tính toán hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2
• 2.2. Thiết lập mô hình hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2
• 2.3. Các thiết bị chính của hệ thống
• 3. MỘT SỐ KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Thực nghiệm đối với trường hợp 1
• 3.2. Thực nghiệm đối với trường hợp 2
• 3.3. Kết quả so sánh các điểm nút nhiệt động, năng suất lạnh, công suất nhiệt, công nén, hệ số làm lạnh và COP của hệ thống giữa lý thuyết và thực nghiệm
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống lạnh ghép tầng R134A và CO2

Hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng R134A và CO2 đang trở thành một giải pháp hiệu quả trong lĩnh vực lạnh công nghiệp. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định các thông số nhiệt độ của hệ thống lạnh ghép tầng, nhằm tối ưu hóa hiệu suất làm lạnh. Hệ thống lạnh ghép tầng cho phép sử dụng hai môi chất lạnh khác nhau, trong đó R134A hoạt động ở tầng cao và CO2 ở tầng thấp. Việc sử dụng CO2 không chỉ giúp giảm thiểu tác động đến môi trường mà còn cải thiện hiệu suất làm lạnh. Theo nghiên cứu, nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi của hai môi chất này có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của hệ thống. Các thông số này cần được xác định chính xác để đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống lạnh.

1.1. Tính toán và thiết lập mô hình thực nghiệm

Trong nghiên cứu, mô hình thực nghiệm được thiết lập dựa trên các thông số lý thuyết đã được tính toán. Nhiệt độ môi trường được duy trì ở 33°C, với lưu lượng khối lượng của CO2 là 27 kg/h. Mục tiêu là làm lạnh kho từ 33°C xuống -20°C. Kết quả cho thấy, khi sử dụng một bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống dài 15m, thời gian làm lạnh đạt 180 phút. Nhiệt độ ngưng tụ tầng thấp là 7,2°C và nhiệt độ bay hơi là -30°C. Năng suất lạnh của hệ thống đạt 1,643 kW, cho thấy hiệu suất làm lạnh của hệ thống là khá cao. Việc thiết lập mô hình thực nghiệm này không chỉ giúp kiểm chứng các thông số lý thuyết mà còn cung cấp dữ liệu thực nghiệm quý giá cho các nghiên cứu sau này.

II. Kết quả thực nghiệm và phân tích

Kết quả thực nghiệm cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa hai trường hợp nghiên cứu. Trong trường hợp thứ nhất, với một bộ trao đổi nhiệt, hệ số hiệu suất (COP) của hệ thống đạt 1,79. Trong khi đó, khi sử dụng hai bộ trao đổi nhiệt mắc song song, COP tăng lên 1,9. Điều này chứng tỏ rằng việc tối ưu hóa thiết kế hệ thống lạnh có thể cải thiện đáng kể hiệu suất làm lạnh. Nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi của R134A và CO2 có mối liên hệ chặt chẽ với hiệu suất của hệ thống. Việc giảm nhiệt độ bay hơi của R134A có thể dẫn đến việc tăng nhiệt độ ngưng tụ của CO2, từ đó ảnh hưởng đến năng suất lạnh của toàn bộ hệ thống. Các kết quả này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có thể áp dụng thực tiễn trong thiết kế và vận hành các hệ thống lạnh công nghiệp.

2.1. So sánh các thông số nhiệt động

Phân tích các thông số nhiệt động giữa lý thuyết và thực nghiệm cho thấy sự phù hợp cao. Các thông số như nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ bay hơi, và năng suất lạnh đều nằm trong khoảng dự đoán. Sự khác biệt nhỏ giữa lý thuyết và thực nghiệm có thể do các yếu tố như sai số trong đo lường hoặc điều kiện môi trường không hoàn toàn ổn định. Tuy nhiên, các kết quả này khẳng định tính khả thi của việc sử dụng R134A và CO2 trong hệ thống lạnh ghép tầng. Việc so sánh này cũng giúp xác định các yếu tố cần cải thiện trong thiết kế và vận hành hệ thống, từ đó nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí năng lượng.

III. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này không chỉ cung cấp dữ liệu thực nghiệm quan trọng mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các hệ thống lạnh thân thiện với môi trường. Việc sử dụng CO2 và R134A trong hệ thống lạnh ghép tầng có thể giúp giảm thiểu tác động đến tầng ozone và khí hậu toàn cầu. Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong thiết kế các hệ thống lạnh công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm và điều hòa không khí. Hệ thống lạnh ghép tầng có thể được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất cao hơn, từ đó giảm chi phí vận hành và bảo trì. Điều này không chỉ có lợi cho doanh nghiệp mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

3.1. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Dựa trên các kết quả đạt được, nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số thiết kế của hệ thống lạnh ghép tầng. Việc thử nghiệm với các môi chất lạnh khác nhau cũng như cải tiến công nghệ trao đổi nhiệt có thể mang lại những kết quả khả quan hơn. Ngoài ra, nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến hiệu suất của hệ thống cũng cần được thực hiện để có cái nhìn toàn diện hơn về khả năng ứng dụng của hệ thống lạnh ghép tầng trong thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 là một giải pháp tiên tiến trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt, đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng làm lạnh sâu như kho trữ đông với nhiệt độ yêu cầu xuống tới -20°C. Theo ước tính, sự phát triển của các hệ thống lạnh thân thiện môi trường đang được thúc đẩy mạnh mẽ do các vấn đề về phá hủy tầng ozone (ODP) và hiệu ứng nhà kính (GWP). Môi chất lạnh CO2 có ODP = 0 và GWP = 1, là lựa chọn ưu việt cho tầng thấp trong hệ thống ghép tầng, trong khi R134a, thuộc nhóm HFC, được sử dụng ở tầng cao với hiệu suất làm lạnh cao. Nghiên cứu thực nghiệm này được thực hiện tại xưởng Nhiệt, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, trong điều kiện nhiệt độ môi trường 33°C, với lưu lượng khối lượng CO2 là 27 kg/h, nhằm xác định các thông số nhiệt động của hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định các thông số nhiệt độ, áp suất, công suất nhiệt, năng suất lạnh, công suất máy nén và hệ số hiệu suất (COP) của hệ thống, đồng thời so sánh kết quả thực nghiệm với tính toán lý thuyết. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống có công suất lạnh khoảng 2 kW, vận hành trong điều kiện nhiệt độ kho lạnh -20°C, tại TP. Hồ Chí Minh. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc bổ sung dữ liệu thực nghiệm có giá trị cho lĩnh vực kỹ thuật lạnh ghép tầng, góp phần phát triển các hệ thống làm lạnh công suất lớn, thân thiện môi trường và hiệu quả năng lượng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết nhiệt động học của môi chất lạnh và mô hình hệ thống lạnh ghép tầng. Môi chất lạnh CO2 (R744) có nhiệt độ tới hạn 31°C và áp suất tới hạn 73,6 bar, được sử dụng trong tầng thấp với đặc tính không phá hủy tầng ozone (ODP=0) và chỉ số nóng lên toàn cầu thấp (GWP=1). Môi chất R134a thuộc nhóm HFC có nhiệt độ tới hạn 122°C và GWP=1200, được sử dụng trong tầng cao. Hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 vận hành theo nguyên lý trao đổi nhiệt giữa hai tầng qua bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống, trong đó CO2 làm lạnh tầng thấp và R134a làm lạnh tầng cao. Ba khái niệm chính được áp dụng gồm: nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ và hệ số hiệu suất COP của hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ hệ thống thực nghiệm được thiết lập tại xưởng Nhiệt, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu nghiên cứu là một hệ thống lạnh ghép tầng với công suất lạnh 2 kW, lưu lượng CO2 27 kg/h, vận hành trong điều kiện nhiệt độ môi trường 33°C và nhiệt độ kho lạnh -20°C. Phương pháp chọn mẫu là thiết kế mô hình thực nghiệm dựa trên tính toán lý thuyết, nhằm đảm bảo tính khả thi và độ chính xác của kết quả.

Phương pháp phân tích bao gồm đo đạc các thông số nhiệt độ, áp suất tại các điểm nút của hệ thống, tính toán công suất nhiệt, năng suất lạnh, công suất máy nén và hệ số hiệu suất COP. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng 6 tháng, bao gồm giai đoạn thiết kế, lắp đặt, vận hành và thu thập dữ liệu thực nghiệm. Kết quả thực nghiệm được so sánh với tính toán lý thuyết để đánh giá độ chính xác và hiệu quả của hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất làm lạnh và thời gian làm lạnh:

   • Trường hợp 1 sử dụng một bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống dài 15 m, thời gian làm lạnh đạt nhiệt độ yêu cầu là 180 phút, với năng suất lạnh Q0 = 1,643 kW.
   • Trường hợp 2 sử dụng hai bộ trao đổi nhiệt song song mỗi bộ dài 7,5 m, thời gian làm lạnh giảm còn 30 phút, năng suất lạnh Q0 = 1,62 kW.
     So sánh cho thấy việc sử dụng hai bộ trao đổi nhiệt song song giúp giảm thời gian làm lạnh tới 83,3% so với trường hợp một bộ.

2. Công suất máy nén:

   • Công suất máy nén tầng thấp CO2 giảm từ 0,39 kW (trường hợp 1) xuống 0,375 kW (trường hợp 2), tương đương giảm 3,85%.
   • Công suất máy nén tầng cao R134a giảm từ 0,525 kW xuống 0,476 kW, giảm khoảng 9,33%.
     Điều này cho thấy cấu hình hai bộ trao đổi nhiệt song song giúp giảm tải cho máy nén, nâng cao hiệu quả vận hành.

3. Hệ số hiệu suất (COP):

   • COP của hệ thống tăng từ 1,79 (trường hợp 1) lên 1,9 (trường hợp 2), tương đương tăng 6,15%.
     Sự cải thiện này phản ánh hiệu quả năng lượng tốt hơn khi sử dụng bộ trao đổi nhiệt song song, phù hợp với mục tiêu tiết kiệm năng lượng.

4. Độ phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:
   Các thông số tính toán lý thuyết về nhiệt độ, áp suất, công suất và COP tương đối phù hợp với kết quả thực nghiệm, sai số trong khoảng 5%, cho thấy mô hình tính toán có độ tin cậy cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm thời gian làm lạnh và tăng COP trong trường hợp sử dụng hai bộ trao đổi nhiệt song song là do tăng diện tích trao đổi nhiệt hiệu quả, giảm tổn thất nhiệt và cải thiện quá trình truyền nhiệt giữa hai tầng lạnh. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu quốc tế về tối ưu hóa bộ trao đổi nhiệt trong hệ thống lạnh ghép tầng, đồng thời khẳng định tính khả thi của giải pháp thiết kế trong điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Biểu đồ so sánh COP giữa hai trường hợp có thể minh họa rõ ràng sự cải thiện hiệu suất, trong khi bảng số liệu chi tiết các điểm nút nhiệt động giúp đánh giá chính xác các thông số vận hành. Kết quả cũng cho thấy việc lựa chọn môi chất lạnh R134a cho tầng cao và CO2 cho tầng thấp là phù hợp, tận dụng ưu điểm của từng môi chất để đạt hiệu quả tối ưu.

Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống là thiết bị phức tạp và yêu cầu kiểm định thường xuyên do áp suất cao của CO2, đòi hỏi kỹ thuật vận hành và bảo trì chuyên sâu. Đây là thách thức cần được giải quyết trong các nghiên cứu tiếp theo.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường sử dụng bộ trao đổi nhiệt song song:
   Áp dụng thiết kế hai hoặc nhiều bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống song song để giảm thời gian làm lạnh và nâng cao COP, hướng tới mục tiêu giảm thời gian làm lạnh xuống dưới 30 phút trong vòng 1 năm tới. Chủ thể thực hiện: các nhà thiết kế hệ thống lạnh và kỹ sư vận hành.

2. Nâng cao chất lượng vật liệu và thiết bị chịu áp suất cao:
   Sử dụng vật liệu chịu áp suất cao và công nghệ gia công tiên tiến để đảm bảo an toàn và độ bền cho hệ thống lạnh CO2, giảm thiểu rủi ro vận hành trong vòng 2 năm. Chủ thể thực hiện: nhà sản xuất thiết bị và đơn vị kiểm định kỹ thuật.

3. Phát triển hệ thống điều khiển tự động:
   Thiết kế và tích hợp hệ thống điều khiển tự động để ổn định năng suất lạnh và COP, giảm dao động trong vận hành, dự kiến hoàn thành trong 18 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và kỹ sư tự động hóa.

4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng công nghiệp:
   Thử nghiệm và triển khai hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 quy mô lớn cho các kho lạnh công nghiệp, nhằm đánh giá hiệu quả thực tế và tiết kiệm năng lượng trong 3 năm tới. Chủ thể thực hiện: các doanh nghiệp và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế hệ thống lạnh:
   Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình tính toán chi tiết giúp thiết kế hệ thống lạnh ghép tầng hiệu quả, giảm thiểu rủi ro và tối ưu chi phí.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt:
   Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá về lý thuyết, phương pháp thực nghiệm và phân tích kết quả trong lĩnh vực kỹ thuật lạnh ghép tầng, hỗ trợ nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

3. Doanh nghiệp sản xuất và vận hành kho lạnh:
   Cung cấp giải pháp công nghệ thân thiện môi trường, tiết kiệm năng lượng, giúp doanh nghiệp nâng cao hiệu quả kinh tế và đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách:
   Thông tin về hiệu quả năng lượng và tác động môi trường của hệ thống lạnh ghép tầng hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển công nghệ xanh và bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 có ưu điểm gì so với hệ thống lạnh một cấp?
   Hệ thống ghép tầng cho phép đạt nhiệt độ làm lạnh sâu hơn (-20°C đến -30°C) với hiệu suất cao hơn, giảm tiêu thụ năng lượng và thân thiện môi trường nhờ sử dụng CO2 ở tầng thấp.

2. Tại sao chọn CO2 làm môi chất lạnh tầng thấp?
   CO2 có ODP = 0 và GWP = 1, không phá hủy tầng ozone và có chỉ số nóng lên toàn cầu thấp, phù hợp cho các ứng dụng làm lạnh sâu với áp suất và nhiệt độ tới hạn đặc trưng.

3. Làm thế nào để cải thiện hệ số hiệu suất COP của hệ thống?
   Có thể cải thiện bằng cách tăng diện tích bộ trao đổi nhiệt, sử dụng thiết bị có hiệu suất cao, tối ưu nhiệt độ bay hơi và ngưng tụ, cũng như áp dụng điều khiển tự động ổn định vận hành.

4. Thời gian làm lạnh có thể giảm bao nhiêu khi sử dụng hai bộ trao đổi nhiệt song song?
   Theo kết quả thực nghiệm, thời gian làm lạnh giảm từ 180 phút xuống còn 30 phút, tương đương giảm 83,3%, giúp nâng cao hiệu quả vận hành.

5. Những thách thức khi vận hành hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 là gì?
   Hệ thống phức tạp, yêu cầu kiểm định thường xuyên do áp suất cao của CO2, đòi hỏi kỹ thuật vận hành và bảo trì chuyên sâu để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xác định thành công các thông số nhiệt động của hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 trong điều kiện thực nghiệm tại TP. Hồ Chí Minh.
• Việc sử dụng hai bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống song song giúp giảm thời gian làm lạnh từ 180 phút xuống 30 phút và tăng hệ số hiệu suất COP từ 1,79 lên 1,9.
• Kết quả thực nghiệm phù hợp với tính toán lý thuyết, khẳng định độ tin cậy của mô hình và phương pháp nghiên cứu.
• Luận văn góp phần bổ sung dữ liệu thực nghiệm quý giá cho lĩnh vực kỹ thuật lạnh ghép tầng, hỗ trợ phát triển các hệ thống làm lạnh công suất lớn, thân thiện môi trường.
• Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả và an toàn vận hành, đồng thời mở rộng ứng dụng trong công nghiệp trong thời gian tới.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên tập trung vào tối ưu thiết kế bộ trao đổi nhiệt, nâng cao vật liệu chịu áp suất và phát triển hệ thống điều khiển tự động. Hãy áp dụng những kết quả này để cải thiện hiệu suất và bền vững cho các hệ thống lạnh hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay sự phá hủy tầng ozone (ODP – Ozone Depletion Potential) và nóng lên toàn cầu (GWP – Global Warming Potential) đang được thế giới chú trọng. Một trong những nguồn phát thải CO2 lớn nhất đó là trong lĩnh vực lạnh: Lạnh công nghiệp, lạnh thương mại và sự phát triển nhanh chóng của máy điều hòa không khí. Chính vì vậy, các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu các môi chất lạnh tự nhiên, các môi chất lạnh mới để giảm sự phá hủy tầng ozone và nóng lên toàn cầu.

Trong các môi chất lạnh, môi chất lạnh CO2 là một trong những môi chất lạnh tự nhiên đầy hứa hẹn trong tương lai không có tiềm năng suy giảm ozone (ODP = 0) và có chỉ số nóng lên toàn cầu thấp (GWP = 1). Tuy nhiên, điểm tới hạn của môi chất lạnh CO2 có nhiệt độ, áp suất tương ứng là 310C; 73,6 bar. Nhiệt độ tới hạn thấp nhưng áp suất cao yêu cầu công nghệ gia công các thiết bị, đường ống trong hệ thống lạnh phải đảm bảo an toàn cho người và thiết bị. Chính vì vậy cần phải giảm áp suất (hay nhiệt độ) này xuống thấp hơn.

Một trong những giải pháp để giảm nhiệt độ môi chất lạnh CO2 ngưng tụ đó là thêm một chu trình lạnh sử dụng môi chất lạnh (khác môi chất CO2) để sử dụng năng suất lạnh này làm lạnh môi chất lạnh CO2. Phương pháp này gọi là ghép tầng. Hay nói cách khác, môi chất lạnh CO2 rất phù hợp cho chu trình máy lạnh ghép tầng với CO2 đảm nhiệm tầng nhiệt độ thấp. Đến hiện tại, các nhà khoa học vẫn chưa tìm được nhóm môi chất lạnh nào thân thiện với môi trường và có năng suất lạnh cao như nhóm môi chất lạnh HFC.

Môi chất lạnh R134a là một trong những môi chất lạnh thuộc nhóm HFC đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng. Tuy nhiên các kết quả thực nghiệm về môi chất lạnh R134a dùng trong chu trình tầng cao trong hệ thống lạnh ghép tầng chưa nhiều. 1 Luan van Theo các công bố khoa học chính thống thì ở Việt Nam chưa có nghiên cứu nào về máy lạnh ghép tầng dùng môi chất R134a/CO2, trên thế giới nghiên cứu cũng không nhiều cho chế độ trữ đông. Chính vì vậy, việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt động của hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2” là rất cần thiết.

Nghiên cứu này đưa ra một trường hợp cụ thể (case study) cho tính toán thiết kế và thực nghiệm một hệ thống lạnh ghép tầng có quy mô nhỏ làm nền tảng cho việc phát triển các hệ thống trữ đông công suất lớn. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Liên quan đến hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất lạnh CO2 ở chu trình nhiệt độ thấp, Jadhav cùng với cộng sự [1] tiến hành so sánh đánh giá các chu trình lạnh ghép tầng với các cặp môi chất lạnh khác nhau. CO2 được sử dụng trong tầng thấp trong khi R134a, R290, R717 và R404A được sử dụng trong chu trình nhiệt độ cao như sơ đồ Hình 1.

Ảnh hưởng của các thông số nhiệt động đến hệ thống lạnh ghép tầng để tìm cặp môi chất lạnh làm việc tốt nhất. Kết quả là COP của cặp môi chất lạnh CO2/NH3 cao hơn so với các cặp môi chất lạnh CO2/R134a, CO2/R290 và CO2/R404A cùng một nhiệt độ ngưng tụ ở chu trình nhiệt độ cao, nhiệt độ bay hơi ở tầng thấp và nhiệt độ ngưng tụ ở chu trình nhiệt độ thấp. COP của hệ thống CO2/R717 tăng từ 1.08 khi nhiệt độ thiết bị bay hơi tầng thấp thay đổi từ - 55ºC đến -30ºC. COP của hệ thống CO2/R717 giảm từ 1.285 ở nhiệt độ ngưng tụ chu kỳ nhiệt độ cao thay đổi từ 300C đến 450C.1: Sơ đồ hệ thống lạnh ghép tầng [1] 2 Luan van Patel cùng với cộng sự [2] đã tiến hành nghiên cứu tối ưu hiệu suất và phân tích so sánh hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng NH3/CO2 và C3H8/CO2.

Hệ thống lạnh ghép tầng làm việc với CO2 chu trình có nhiệt độ thấp, NH3 và C3H8 chu trình có nhiệt độ cao. Bốn thông số vận hành: Nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ ngưng tụ chu trình nhiệt độ thấp, độ chênh lệch nhiệt độ ghép tầng được nghiên cứu để tối ưu. Kết quả cặp môi chất lạnh C3H8/CO2 chi phí thấp hơn 5,33% và sự phá hủy exergy cao hơn 6,42% so với cặp môi chất lạnh NH3/CO2. Bhattacharyya cùng với cộng sự [3] tối ưu hóa hệ thống ghép tầng CO2/C3H8 để làm lạnh và sưởi ấm.

Trong bài này, môi chất lạnh propan sử dụng cho chu trình nhiệt độ cao và carbon dioxide chu trình nhiệt độ thấp trên các ứng dụng làm lạnh và sưởi ấm. Kết quả là hiệu suất tổng thể của hệ thống ghép tầng bất biến với hiệu quả của chu trình propan và tăng khi hiệu quả của chu trình nhiệt độ cao được tăng lên. COP của hệ thống ghép tầng tăng khi nhiệt độ không gian lạnh tăng và COP giảm khi nhiệt độ sưởi ẩm đầu ra tăng. Hệ thống ghép tầng carbon dioxide-propane có phạm vi hoạt động rộng hơn trong các ứng dụng sưởi ấm và làm mát so với hệ thống lạnh ghép tầng carbon dioxide – ammonia.

Hệ thống ghép tầng này có thể hoạt động đồng thời giữa nhiệt độ không gian làm lạnh -400C và nhiệt độ sưởi ẩm khoảng 1200C. Nasruddin cùng với cộng sự [4] tối ưu hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất lạnh C3H8 trong chu trình nhiệt độ cao và hỗn hợp C2H6/CO2 trong chu trình nhiệt độ thấp. Các nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ ngưng tụ hỗn hợp C2H6/CO2, độ chênh nhiệt độ ghép tầng và khối lượng CO2 được chọn là biến quyết định. Nhiệt độ vận hành và khối lượng CO2 nên được thêm vào để tạo ra một hệ thống tối ưu cả về kinh tế và nhiệt động.

Trong khi đó công suất làm mát, nhiệt độ không gian làm lạnh và nhiệt độ môi trường được coi là những ràng buộc. Khi nhiệt độ bay hơi Te = 490C; nhiệt độ ngưng tụ Tc = 560C; nhiệt độ bay hơi (HTC) Tme= 9,960C; T = 3,370C và khối lượng CO2 = 0,68 với tổng số phá hủy exergy 39876,04W và tổng chi phí hàng năm là 51070,59$. Lee cùng với hai cộng sự [5] đã tiến hành phân tích nhiệt động để tối ưu nhiệt độ ngưng tụ ghép tầng của một hệ thống lạnh ghép tầng CO2/NH3 như Hình 1. Xác 3 Luan van định nhiệt độ ngưng tụ tối ưu của thiết bị ngưng tụ ghép tầng theo các thông số thiết kế khác nhau để hệ thống có COP cao nhất và exergy giảm nhỏ nhất.

Các thông số thiết kế bao gồm: nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ và chênh lệch nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ tầng. Kết quả là nhiệt độ ngưng tụ tối ưu của ngưng tụ ghép tầng phụ thuộc vào các thông số nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ và chênh lệch nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ tầng. Giá trị COP tăng khi nhiệt độ bay hơi tăng và giảm nhiệt độ ngưng tụ và chênh lệch nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ tầng tăng.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh ghép tầng R744/R717 [5] Tiếp theo, Getu và Bansal [6] đã phân tích nhiệt động hệ thống lạnh ghép tầng carbon dioxide–ammonia R744/R717 để tối ưu hóa tối ưu hóa các thông số thiết kế và vận hành hệ thống. Các thông số thiết kế và vận hành bao gồm (1): Nhiệt độ ngưng tụ, quá lạnh, nhiệt độ bay hơi, quá nhiệt của chu trình nhiệt độ cao ammonia (R717); (2) độ chênh nhiệt độ trong thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng; (3) Nhiệt độ bay hơi, quá nhiệt, ngưng tụ, quá lạnh của tầng thấpcarbon dioxide (R744).

Kết quả là khi độ quá nhiệt tăng thì tỷ lệ lưu lượng khối lượng tăng nhưng COP giảm và khi nhiệt độ bay hơi tăng thì cả tỷ lệ lưu lượng khối lượng và COP tăng. Khi nhiệt độ ngưng tụ tăng dẫn đến COP giảm và tỷ lệ lưu lượng môi chất lạnh tăng. Nhiệt độ bay hơi tăng thì COP của hệ thống tặng và tỷ lệ lưu lượng giảm. Độ chênh nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ ghép tầng tăng làm tỷ lệ lưu lượng khối lượng và COP của hệ thống giảm.

4 Luan van Bên cạnh đó, Mosaffa cùng với cộng sự [7] phân tích so sánh hệ thống lạnh ghép tầng CO2/NH3 trong 2 hệ thống: Hệ thống (1) hai bộ tách lỏng; hệ thống (2) một bộ tách lỏng với bình quá lạnh gián tiếp để tối đa hóa hệ số hiệu suất (COP) và hiệu suất exergy và giảm tổng chi phí hàng năm. Các thông số vận hành được xem xét bao gồm: Nhiệt độ ngưng tụ NH3 trong thiết bị ngưng tụ và CO2 trong thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng, nhiệt độ bay hơi của CO2 trong thiết bị bay hơi, độ chênh nhiệt độ trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng, áp suất trung gian của bộ tách lỏng trong chu trình CO2 nhiệt độ thấp, tỷ lệ lưu lượng khối lượng và độ quá nhiệt của CO2 tại đầu ra thiết bị bay hơi. Kết quả cho thấy, tổng chi phí hàng năm cho hệ thống (1) là 11,2% và thấp hơn 11,9% so với hệ thống (2). Đối với nhiệt động và chi phí tối ưu điều kiện thiết kế COP và hiệu quả exergy của cả hai hệ thống là gần như nhau.

Hơn nữa, Ma cùng với hai cộng sự [8] trình bày một hệ thống lạnh ghép tầng CO2/NH3, trong đó thiết bị ngưng tụ bay hơi dạng màn được sử dụng như bộ trao đổi nhiệt ghép tầng. Các kết quả phân tích nhiệt động của hệ thống cho thấy sự cải thiện hệ số hiệu suất (COP) do chênh lệch nhiệt độ nhỏ hơn trao đổi nhiệt ghép tầng. Hơn nữa, một mô hình dựa trên phương pháp NTU được phát triển bằng cách xem xét các ràng buộc của tổng độ dẫn nhiệt. Mô hình được phát triển sau đó được sử dụng để kiểm tra ảnh hưởng của các thông số chính trên các cấu hình hệ thống theo điều kiện COP tối đa.

Kết quả là khi COP của hệ thống tối đa, tỷ lệ phân bố độ dẫn nhiệt bị chi phối chủ yếu bởi sự chênh lệch nhiệt độ của ba bộ trao đổi nhiệt và hệ số hiệu suất của thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi. Nghiên cứu này có thể góp phần để phát triển hơn nữa và tối ưu hóa thiết kế các hệ thống lạnh ghép tầng CO2/NH3. Gholamian cùng với cộng sự [9] phân tích nâng cao exergy của hệ thống lạnh ghép tầng Carbon dioxide – Ammoniac. Trong nghiên cứu hiện tại, một hệ thống lạnh ghép tầng NH3/CO2 được mô hình hóa và đánh giá.

Sử dụng phần mềm (EES) cho mục đích mô phỏng.