Nghiên cứu chế tạo và thực nghiệm thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống sử dụng môi chất co2 cho hệ thống điều hoà không khí

Nghiên cứu chế tạo thiết bị ngưng tụ ống lồng ống sử dụng CO2 cho hệ thống điều hòa không khí, tối ưu hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

• Tác giả: Đoàn Quốc Khánh
• Người hướng dẫn: TS. Đoàn Minh Hùng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Và Thực Nghiệm Thiết Bị Ngưng Tụ Kiểu Ống Lồng Ống Sử Dụng Môi Chất CO2 Cho Hệ Thống Điều Hoà Không Khí
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP.HCM

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: Lý do chọn đề tài

Tóm tắt

I. Giới thiệu về thiết bị ngưng tụ ống lồng ống sử dụng CO2

Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống sử dụng CO2 cho hệ thống điều hòa không khí đang trở thành một giải pháp hiệu quả trong bối cảnh hiện nay. CO2 (R744) được xem là môi chất lạnh thân thiện với môi trường, với chỉ số ODP = 0 và GWP = 1. Việc sử dụng CO2 không chỉ giúp bảo vệ tầng ôzôn mà còn giảm thiểu tác động đến biến đổi khí hậu. Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống có khả năng tối ưu hóa hiệu suất làm lạnh, nhờ vào cấu trúc thiết kế đặc biệt cho phép tăng cường trao đổi nhiệt. Theo nghiên cứu, việc áp dụng công nghệ này có thể cải thiện hiệu suất năng lượng lên đến 12% so với các hệ thống truyền thống. Điều này không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

1.1. Tính năng và ưu điểm của thiết bị

Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống sử dụng CO2 có nhiều tính năng nổi bật. Đầu tiên, thiết bị này có khả năng làm lạnh hiệu quả trong các điều kiện khí hậu khác nhau. Thứ hai, nhờ vào thiết kế ống lồng, thiết bị có thể tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt, giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng. Hơn nữa, việc sử dụng CO2 làm môi chất lạnh giúp giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì. Theo các nghiên cứu, hiệu suất năng lượng của thiết bị này có thể đạt được mức COP cao hơn so với các thiết bị sử dụng môi chất lạnh truyền thống. Điều này cho thấy rằng thiết bị ngưng tụ ống lồng ống không chỉ hiệu quả mà còn bền vững trong dài hạn.

II. Ứng dụng của thiết bị trong hệ thống làm lạnh

Hệ thống làm lạnh sử dụng thiết bị ngưng tụ ống lồng ống với CO2 đang được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong ngành công nghiệp thực phẩm, thiết bị này giúp duy trì nhiệt độ ổn định, đảm bảo chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, trong các tòa nhà thương mại, hệ thống điều hòa không khí sử dụng CO2 có thể giảm thiểu chi phí năng lượng đáng kể. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào việc giảm thiểu khí thải carbon. Theo một nghiên cứu, việc chuyển đổi sang sử dụng CO2 có thể tiết kiệm từ 3% đến 37,1% năng lượng tiêu thụ so với các hệ thống sử dụng môi chất lạnh khác.

2.1. Lợi ích kinh tế và môi trường

Việc sử dụng thiết bị ngưng tụ ống lồng ống với CO2 không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn có tác động tích cực đến môi trường. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc chuyển đổi sang sử dụng CO2 có thể giảm thiểu đáng kể lượng khí thải nhà kính. Hơn nữa, thiết bị này giúp tiết kiệm chi phí vận hành nhờ vào hiệu suất năng lượng cao. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh hiện nay, khi mà nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng cao. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí mà còn thể hiện trách nhiệm xã hội trong việc bảo vệ môi trường.

III. Kết luận và triển vọng nghiên cứu

Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống sử dụng CO2 cho hệ thống điều hòa không khí đang mở ra nhiều triển vọng trong nghiên cứu và ứng dụng. Với những ưu điểm vượt trội về hiệu suất và tính thân thiện với môi trường, thiết bị này hứa hẹn sẽ trở thành lựa chọn hàng đầu trong ngành công nghiệp lạnh. Nghiên cứu và phát triển thêm các giải pháp tối ưu cho thiết bị này sẽ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng CO2 trong các hệ thống làm lạnh. Các nhà khoa học và kỹ sư cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện hiệu suất và giảm thiểu chi phí sản xuất, từ đó thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi công nghệ này trong thực tiễn.

3.1. Hướng nghiên cứu tương lai

Hướng nghiên cứu tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế và quy trình vận hành của thiết bị ngưng tụ ống lồng ống sử dụng CO2. Các nghiên cứu cần xem xét các yếu tố như hiệu suất năng lượng, chi phí sản xuất và khả năng ứng dụng trong các điều kiện khí hậu khác nhau. Bên cạnh đó, việc phát triển các công nghệ mới để cải thiện hiệu suất làm lạnh và giảm thiểu khí thải cũng cần được chú trọng. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả của thiết bị mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa toàn cầu đang thúc đẩy sự gia tăng nhanh chóng về nhu cầu sử dụng các thiết bị điều hòa không khí và làm lạnh. Theo các dự báo nhân khẩu học, đến năm 2050 sẽ có gần 70% dân số thế giới sinh sống tại các đô thị. Tuy nhiên, ngành kỹ thuật lạnh và điều hòa không khí đang đối mặt với thách thức môi trường lớn do việc phát thải các môi chất làm suy giảm tầng ôzôn (CFC, HCFC) và các chất gây hiệu ứng nhà kính (HFC). Kể từ Nghị định thư Montreal năm 1987, cộng đồng quốc tế đã áp đặt lộ trình kiểm soát, loại trừ các môi chất có chỉ số làm suy giảm tầng ôzôn (ODP > 0) và khuyến khích chuyển dịch sang các chất môi chất có ODP = 0 cùng chỉ số tiềm năng làm nóng toàn cầu (GWP) thấp.

Trong nhóm các môi chất tự nhiên, carbon dioxide ($CO_2$ - R744) được đánh giá là môi chất thay thế bền vững do sở hữu các đặc tính thân thiện với môi trường (ODP = 0, GWP = 1), không cháy nổ, không mùi, giá thành thấp và sẵn có trong tự nhiên. Mặc dù vậy, $CO_2$ có điểm tới hạn tương đối thấp (áp suất tới hạn 72,9 atm và nhiệt độ tới hạn 31,1 °C), đòi hỏi hệ thống lạnh phải vận hành ở mức áp suất rất cao hoặc chuyển dịch giữa chu trình dưới tới hạn (subcritical) và xuyên tới hạn (transcritical). Tại Việt Nam, các nghiên cứu chế tạo và đánh giá thực nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt, đặc biệt là thiết bị ngưng tụ/làm mát khí cho môi chất $CO_2$ trong hệ thống điều hòa không khí, còn tương đối hạn chế và chưa có nhiều dữ liệu đo đạc cụ thể.

Đồ án tốt nghiệp xác định các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

1. Tính toán chọn thiết bị cho hệ thống lạnh sử dụng môi chất $CO_2$.
2. Nghiên cứu, thiết kế và lắp đặt thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống sử dụng môi chất $CO_2$.
3. Vận hành thực nghiệm, thu thập thông số kỹ thuật (áp suất, nhiệt độ tại các điểm nút) và đánh giá khả năng giải nhiệt của thiết bị ngưng tụ trong hai chế độ: trên tới hạn và dưới tới hạn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm:

• Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị ngưng tụ dạng ống lồng ống giải nhiệt bằng nước cho hệ thống lạnh một cấp và toàn bộ cụm mô hình điều hòa không khí sử dụng môi chất $CO_2$ (R744).
• Phạm vi và giới hạn thực nghiệm:
  • Không gian thực hiện: Phòng thí nghiệm tại Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Thiết bị nén: Máy nén piston kín chuyên dụng cho $CO_2$, công suất định mức 550 W (nguồn điện 220 V, 50 Hz).
  • Cụm trao đổi nhiệt: Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống giải nhiệt bằng nước tuần hoàn; dàn bay hơi (dàn lạnh) thông thường; cụm quạt hơi nước công suất 130 W đóng vai trò tháp giải nhiệt.
  • Giới hạn thông số khảo sát: Nhiệt độ và áp suất tại 4 điểm nút chu trình ($P_1 - P_4$, $T_1 - T_4$), nhiệt độ nước vào và ra khỏi dàn ngưng ($T_5$, $T_6$), độ chênh lệch nhiệt độ truyền nhiệt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng nhiệt động lực học kỹ thuật và khoa học truyền nhiệt:

• Nguyên lý truyền nhiệt: Phân tích ba phương thức truyền nhiệt cơ bản phục vụ tính toán trao đổi nhiệt:
  • Dẫn nhiệt: Dựa trên định luật Fourier thông qua hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ống đồng.
  • Tỏa nhiệt đối lưu: Tính toán theo định luật làm nguội của Newton: $$Q = \alpha F (t_w - t_f)$$ Trong đó $\alpha$ là hệ số tỏa nhiệt đối lưu ($W/m^2 \cdot K$), $F$ là diện tích bề mặt truyền nhiệt ($m^2$), $t_w$ và $t_f$ lần lượt là nhiệt độ bề mặt vách và nhiệt độ dòng chất lỏng/môi chất.
  • Trao đổi nhiệt bức xạ: Thiết lập trên cơ sở định luật Stefan-Boltzmann với bức xạ vật đen và công thức tính cho hệ hai vật trao đổi qua hệ số góc chiếu xạ $\phi_{12}$.
• Chu trình nhiệt động: Áp dụng chu trình lạnh một cấp sử dụng van tiết lưu thực hiện hành trình khô (máy nén hút hơi bão hòa khô hoặc hơi quá nhiệt):
  • Quá trình 1-2: Nén đoạn nhiệt đẳng entropy tại máy nén, công nén lý thuyết $l = h_2 - h_1$.
  • Quá trình 2-3: Thải nhiệt tại thiết bị ngưng tụ (hoặc làm mát khí), nhiệt lượng nhả ra $q_k = h_2 - h_3$.
  • Quá trình 3-4: Tiết lưu đẳng enthalpy qua van tiết lưu ($h_3 = h_4$).
  • Quá trình 4-1: Nhận nhiệt bay hơi đẳng áp, đẳng nhiệt tại dàn lạnh, năng suất lạnh $q_0 = h_1 - h_4$.
  • Hệ số làm lạnh: $\epsilon = \frac{q_0}{l} = \frac{h_1 - h_4}{h_2 - h_1}$.
• Đặc tính pha của môi chất $CO_2$: Khảo sát giản đồ trạng thái với điểm tới hạn ($72,9\text{ atm}$, $31,1\ ^\circ\text{C}$) và điểm ba thể ($5,11\text{ atm}$, $-56,6\ ^\circ\text{C}$). Nghiên cứu khai thác đặc tính thăng hoa của đá khô ($CO_2$ thể rắn ở $-78,9\ ^\circ\text{C}$ dưới áp suất khí quyển) để nạp môi chất tinh khiết vào hệ thống kín.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp đánh giá tài liệu: Tổng hợp kết quả từ các nghiên cứu quốc tế (Rodrigo Llopis, Aranguren, Mazyar Karampour, Baheta, Ying) và trong nước (Đặng Thành Trung, Võ Kim Hằng, Nguyễn Trọng Hiếu) về chu trình $CO_2$ siêu tới hạn, thiết bị trao đổi nhiệt vi kênh và quá lạnh.
• Phương pháp tính toán nhiệt động: Xác định các thông số trạng thái tại các điểm nút của chu trình làm việc.
• Phương pháp thực nghiệm trực tiếp: Lắp ráp mô hình thực tế, điều khiển áp suất vận hành qua van tiết lưu tay, đo đạc trực tiếp các thông số nhiệt độ, áp suất bằng hệ thống cảm biến chuyên dụng tại các mốc thời gian ổn định.

Thiết kế và triển khai hệ thống thực nghiệm

Hệ thống điều hòa không khí thực nghiệm sử dụng môi chất $CO_2$ được thiết kế và chế tạo với cấu tạo cơ khí và sơ đồ đo lường chuyên biệt nhằm đáp ứng điều kiện làm việc ở áp suất cao.

Thiết bị / Thành phần	Thông số kỹ thuật / Quy cách chế tạo	Chức năng trong hệ thống
Ống trong dàn ngưng	Ống đồng đường kính ngoài 5 mm, chiều dài 23 m	Dẫn dòng môi chất $CO_2$ áp suất cao tỏa nhiệt
Ống ngoài dàn ngưng	Ống nhựa PU đường kính 12 mm x 8 mm, chiều dài 23 m	Dẫn dòng nước giải nhiệt chảy bao bọc bên ngoài ống đồng
Kết cấu dàn ngưng	Uốn quấn dạng lò xo tròn, kết nối tee nhanh	Tối ưu không gian lắp đặt, tạo dòng chảy ngược chiều song song
Máy nén	Piston kín hãng SADEN, model SRCACA, công suất 550 W	Hút hơi $CO_2$ hạ áp và nén lên áp suất cao (chạy điện 220 V/50 Hz)
Cụm bơm tuần hoàn	Ghép nối tiếp 2 bơm chìm: Bơm 1 (105 W, $H = 5\text{ m}$, $5000\text{ l/h}$); Bơm 2 (150 W, $H = 4,5\text{ m}$, $3900\text{ l/h}$)	Tăng áp lực và cột áp dòng nước tuần hoàn giải nhiệt
Thiết bị làm mát nước	Quạt hơi nước (cooling pad) công suất 130 W	Làm mát nước hồi từ dàn ngưng trước khi bơm tuần hoàn lại
Bình nạp đá khô	Vỏ phin lọc trụ ($L = 28\text{ cm}$, $\Phi = 18\text{ cm}$), 2 mặt bích $\Phi = 20\text{ cm}$, 10 bu-lông M16, chịu áp 3,5 MPa	Chứa đá khô thăng hoa tạo áp suất nạp $CO_2$ tinh khiết
Thiết bị đo nhiệt độ	4 đầu dò DS-1 (dải đo $-50 \div 70\ ^\circ\text{C}$, sai số $\pm 1\ ^\circ\text{C}$); Cảm biến Extech 421509 loại K (dải $-20 \div 250\ ^\circ\text{C}$, $\pm 0,75%$)	Đo nhiệt độ tại 4 điểm nút chu trình và nhiệt độ nước vào/ra dàn ngưng
Thiết bị đo áp suất	4 đồng hồ cơ nối qua các đoạn ống mao dài 2 m trích tín hiệu	Đo áp suất hút ($P_1$), áp suất đẩy ($P_2$), trước ($P_3$) và sau van tiết lưu ($P_4$)

Quy trình nạp môi chất $CO_2$ từ đá khô vào hệ thống gồm 6 bước:

1. Kiểm tra độ kín của các van khóa và đồng hồ áp suất trên bình nạp.
2. Đập nhỏ đá khô thành từng khối kích thước nhỏ và nạp vào lòng bình chứa.
3. Siết chặt 10 bu-lông của mặt bích đáy bình, quan sát đồng hồ đo và chờ khoảng 15–20 phút để đá khô thăng hoa tự nhiên, nâng áp suất bình đạt mức $45\text{ kg/cm}^2$.
4. Song song với quá trình tăng áp trong bình, tiến hành hút chân không toàn bộ hệ thống lạnh trong thời gian 20–25 phút.
5. Kết nối dây nạp chịu áp cao vào van nạp hệ thống, thực hiện thao tác đuổi khí đoạn dây nối, sau đó mở ty van cho dòng hơi $CO_2$ tinh khiết đi vào chu trình.
6. Khi hệ thống đạt đủ lượng nạp yêu cầu, khóa chặt van 3 ngã và tiến hành xả bỏ toàn bộ lượng khí dư trong bình nạp nhằm phòng tránh sự cố nổ do quá áp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan đề tài

Chương này phân tích tính cấp thiết của việc tìm kiếm môi chất thay thế trong bối cảnh các quy định quốc tế về bảo vệ môi trường ngày càng khắt khe. Tác giả tổng hợp các công trình khoa học tiêu biểu trong và ngoài nước về chu trình $CO_2$. Các nghiên cứu của Llopis (tăng 12–22% hiệu quả bằng bộ quá lạnh), Aranguren (tăng 11,3% COP khi dùng mô-đun nhiệt điện), Karampour (phân tích hệ thống transcritical tích hợp), Gulloa (hệ thống $CO_2$ tiết kiệm năng lượng 3–37,1% so với R404A tại châu Âu) và Baheta (COP đạt 3,24 ở 10 MPa) khẳng định tiềm năng ứng dụng của $CO_2$. Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu của Đặng Thành Trung và cộng sự đã công bố kết quả COP đạt 4,97 khi có quá lạnh ở áp suất 77 bar trên dàn bay hơi kênh mini. Từ các cơ sở trên, chương xác lập mục tiêu thiết kế và thực nghiệm thiết bị ngưng tụ ống lồng ống để làm rõ hiệu quả giải nhiệt của nước đối với $CO_2$.

Chương 2. Cơ sở truyền nhiệt và môi chất CO2

Nội dung chương trình bày nền tảng lý thuyết truyền nhiệt bao gồm dẫn nhiệt (Fourier), đối lưu tự nhiên và cưỡng bức (Newton), trao đổi nhiệt bức xạ (Stefan-Boltzmann). Phần tính chất môi chất cung cấp thông số nhiệt động của $CO_2$ (R744): khối lượng phân tử 44,01 g/mol, nhiệt độ tới hạn 31,1 °C, áp suất tới hạn 72,9 atm, nồng độ khí quyển khoảng 380 ppm. Chương phân tích nguyên lý thăng hoa của đá khô ở $-78,9\ ^\circ\text{C}$ và giải thích lý do lựa chọn đá khô để nạp gas nhằm giải quyết nhược điểm lẫn tạp chất của $CO_2$ thương mại (chỉ đạt 98–99%). Cuối cùng, chương thiết lập hệ phương trình tính toán cho chu trình lạnh một cấp sử dụng van tiết lưu thực hiện hành trình khô (công nén, nhiệt lượng ngưng tụ, nhiệt lượng bay hơi và hệ số làm lạnh $\epsilon$).

Chương 3. Tính toán lý thuyết

Chương này thực hiện các bước tính toán thông số nhiệt động của chu trình máy lạnh $CO_2$, xác định phụ tải nhiệt yêu cầu của hệ thống điều hòa không khí và tính toán sơ bộ diện tích bề mặt truyền nhiệt cần thiết cho thiết bị trao đổi nhiệt, làm cơ sở lựa chọn chiều dài ống đồng và các thiết bị phụ trợ cho mô hình thực nghiệm.

Chương 4. Thiết kế thực nghiệm

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình chế tạo mô hình thực tế và thiết lập hệ thống đo. Thiết bị ngưng tụ được chế tạo từ 23 m ống đồng đường kính 5 mm lồng bên trong 23 m ống nhựa PU kích thước 12 mm x 8 mm, uốn thành dạng xoắn ốc. Nước làm mát được cấp từ quạt hơi nước công suất 130 W thông qua 2 bơm ghép nối tiếp (105 W và 150 W) để đạt cột áp đẩy qua khe hẹp giữa hai ống. Nhóm nghiên cứu thiết kế bình nạp đá khô chịu áp 3,5 MPa gia công từ phin lọc có 2 mặt bích liên kết bu-lông M16. Vị trí 4 đồng hồ đo áp suất ($P_1 - P_4$) và các cảm biến nhiệt độ ($T_1 - T_6$ gồm đầu dò DS-1 và cặp nhiệt ngẫu Extech 421509 loại K) được bố trí chi tiết tại các điểm nút chu trình và đường nước vào/ra.

Chương 5. Kết quả thực nghiệm và nhận xét

Chương trình bày quy trình vận hành thực nghiệm 3 giai đoạn (chuẩn bị, vận hành điều chỉnh van tiết lưu giữ áp suất 72–73 bar, ngắt hệ thống) và phân tích các số liệu thu được trong hai đợt đo: chế độ trên tới hạn (ngày 27–28/12/2022) và chế độ dưới tới hạn (ngày 05–06/01/2023). Các biểu đồ và bảng dữ liệu phản ánh chi tiết sự biến thiên của nhiệt độ đầu đẩy máy nén ($T_2$), nhiệt độ trước van tiết lưu ($T_3$), nhiệt độ nước giải nhiệt ra ($T_6$) và độ chênh nhiệt độ giữa môi chất và nước làm mát.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu thu thập được các số liệu vận hành thực tế tại hai vùng thông số làm việc của hệ thống:

Thông số đo đạc / Chỉ số so sánh	Vận hành trên tới hạn (28/12/2022)	Vận hành dưới tới hạn (06/01/2023)	Mức độ chênh lệch
Áp suất hút ($P_1$)	$32\text{ kg/cm}^2$	$34\text{ kg/cm}^2$	$2\text{ kg/cm}^2$
Áp suất nén đầu đẩy ($P_2$)	$76\text{ kg/cm}^2$	$72\text{ kg/cm}^2$	$4\text{ kg/cm}^2$
Áp suất trước tiết lưu ($P_3$)	$\sim 75\text{ kg/cm}^2$	$\sim 70\text{ kg/cm}^2$	$\sim 5\text{ kg/cm}^2$
Nhiệt độ trung bình đầu đẩy ($T_2$)	$92,12\ ^\circ\text{C}$	$\sim 83\ ^\circ\text{C}$	Chênh lệch trung bình gần $10\ ^\circ\text{C}$ (lớn nhất $21\ ^\circ\text{C}$)
Nhiệt độ trước van tiết lưu ($T_3$)	Giảm dần từ mức $25\ ^\circ\text{C}$ xuống thấp hơn	Tăng dần từ mức $25\ ^\circ\text{C}$ lên cao hơn	Chênh lệch lớn nhất đạt $1,6\ ^\circ\text{C}$
Nhiệt độ nước ra giải nhiệt ($T_6$)	Trung bình $36,7\ ^\circ\text{C}$	Trung bình $37,4\ ^\circ\text{C}$	Chênh lệch lớn nhất đạt $1,5\ ^\circ\text{C}$

Các kết quả phân tích cụ thể:

• Nhiệt độ môi chất sau giải nhiệt: Khi môi chất đi vào dàn ngưng ở trạng thái trên tới hạn (áp suất đẩy $76\text{ kg/cm}^2$), nhiệt độ môi chất ra khỏi dàn ngưng (trước van tiết lưu) thấp hơn so với khi vận hành ở trạng thái dưới tới hạn ($72\text{ kg/cm}^2$).
• Độ chênh nhiệt độ trao đổi: Ở trạng thái trên tới hạn, nhiệt độ đầu đẩy máy nén rất cao ($92,12\ ^\circ\text{C}$, thời điểm cao nhất chênh lệch đến $21\ ^\circ\text{C}$ so với dưới tới hạn), tạo ra độ chênh nhiệt độ ban đầu lớn giữa môi chất và nước làm mát, thúc đẩy quá trình truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức diễn ra nhanh hơn trong thiết bị ngưng tụ dạng ống lồng ống.
• Nhiệt độ nước làm mát: Nhiệt độ nước sau khi giải nhiệt ở trạng thái dưới tới hạn ($37,4\ ^\circ\text{C}$) cao hơn so với trạng thái trên tới hạn ($36,7\ ^\circ\text{C}$), phản ánh các đặc tính thay đổi pha và tỏa nhiệt đặc thù của $CO_2$ ở hai vùng trạng thái khác nhau.

Đóng góp của đồ án:

• Chế tạo thành công mô hình thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống kích thước nhỏ gọn (quấn xoắn lò xo, dài 23 m) hoạt động an toàn dưới áp suất cao của môi chất $CO_2$ (trên $76\text{ kg/cm}^2$).
• Đề xuất và thử nghiệm thành công giải pháp kỹ thuật nạp môi chất bằng đá khô ($CO_2$ rắn) thông qua bình phin lọc tự chế chịu áp lực cao, giúp giải quyết trở ngại về độ tinh khiết môi chất tại thị trường nội địa mà không cần hệ thống nạp khí nén đắt tiền.
• Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm đối chiếu trực tiếp giữa hai chế độ trên tới hạn và dưới tới hạn đối với thiết bị ngưng tụ ống lồng ống sử dụng nước làm mát.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Việc điều chỉnh và duy trì áp suất hệ thống hoàn toàn dựa vào van tiết lưu thao tác bằng tay, gây khó khăn cho việc duy trì điểm làm việc tối ưu liên tục và hạn chế độ chính xác khi chuyển đổi chế độ.
• Hệ thống sử dụng quạt hơi nước gia dụng để thay thế tháp giải nhiệt công nghiệp, dẫn đến nhiệt độ nước giải nhiệt cấp vào dàn ngưng bị phụ thuộc nhiều vào độ ẩm và nhiệt độ của môi trường xung quanh phòng thí nghiệm.
• Công suất máy nén tương đối nhỏ (550 W), các thử nghiệm mới chỉ dừng lại ở quy mô mô hình trong phạm vi hẹp tại Thành phố Hồ Chí Minh.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Thay thế van tiết lưu tay bằng van tiết lưu điện tử (EEV) kết hợp thuật toán điều khiển tự động hoặc nghiên cứu ứng dụng vòi phun ejector để thu hồi công giãn nở.
• Nghiên cứu đo đạc chuyên sâu về hệ số truyền nhiệt đối lưu cục bộ của $CO_2$ bên trong ống đồng đường kính nhỏ (5 mm) ở điều kiện dòng chảy hai pha và dòng chất lỏng siêu tới hạn.
• Tối ưu hóa cấu trúc cơ khí của dàn ngưng: khảo sát các bước xoắn của lò xo, kiểm tra độ sụt áp của dòng nước trong khe hẹp ống PU và nâng công suất hệ thống để tiệm cận các ứng dụng điều hòa không khí dân dụng thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Lạnh và Điều hòa không khí: Sử dụng làm tài liệu tham khảo trong các học phần Máy và thiết bị lạnh, Truyền nhiệt, hoặc đồ án chuyên ngành liên quan đến môi chất lạnh tự nhiên.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) hệ thống HVAC: Tham khảo giải pháp thiết kế cơ khí và kết cấu ống lồng ống chịu áp lực cao, các lưu ý về độ kín và phương pháp ghép bơm tăng cột áp giải nhiệt.
• Kỹ thuật viên phòng thí nghiệm: Tham khảo quy trình chế tạo bình chịu áp và phương pháp thực nghiệm nạp môi chất tinh khiết an toàn bằng đá khô dạng khối.

Các nội dung đáng tham khảo nhất trong văn bản gồm bản vẽ sơ đồ bố trí cảm biến đo đạc 4 điểm nút chu trình, bảng quy cách thông số thiết bị ngưng tụ ống lồng ống (Chương 4) và các bảng dữ liệu đo nhiệt độ - áp suất thực tế giữa hai chế độ trên/dưới tới hạn (Chương 5).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại sử dụng đá khô để nạp gas vào hệ thống thay vì dùng bình khí $CO_2$ thương mại?
$CO_2$ thương mại trên thị trường hiện nay chủ yếu có hai dạng: loại dùng cho phòng cháy chữa cháy có lẫn nhiều tạp chất (thường có mùi lạ), và loại $CO_2$ tinh khiết dùng cho thực phẩm/y tế nhưng độ tinh khiết tối đa chỉ đạt khoảng 98–99%. Để đảm bảo độ tinh khiết cao nhất cho hệ thống lạnh và hạn chế các khí không ngưng gây tăng áp bất thường, nhóm đã chế tạo bình kín chịu áp cao để chuyển hóa đá khô ($CO_2$ rắn nguyên chất ở $-78,9\ ^\circ\text{C}$) thành hơi $CO_2$ có áp lực ($45\text{ kg/cm}^2$) trước khi nạp vào chu trình.

2. Kích thước và thông số chế tạo của thiết bị ngưng tụ ống lồng ống trong đồ án như thế nào?
Thiết bị ngưng tụ được chế tạo từ một đoạn ống đồng có đường kính ngoài 5 mm, chiều dài 23 m lồng bên trong một đoạn ống nhựa PU kích thước 12 mm x 8 mm (chiều dài tương ứng 23 m). Cụm ống lồng ống này được uốn thành dạng lò xo để giảm không gian lắp đặt, sử dụng tee nối nhanh để kết nối với đường nước tuần hoàn, môi chất $CO_2$ chảy trong ống đồng và nước làm mát chảy trong không gian hình vành khăn của ống nhựa theo chiều ngược nhau.

3. Tại sao hệ thống cần sử dụng cụm hai bơm ghép nối tiếp cho đường nước giải nhiệt?
Do khe hở giữa mặt ngoài ống đồng (đường kính 5 mm) và mặt trong ống nhựa PU (đường kính trong 8 mm) tương đối hẹp trong khi chiều dài đường ống lên đến 23 m, trở lực thủy lực của dòng nước rất lớn. Nhóm thực nghiệm đã ghép nối tiếp hai bơm chìm (bơm 1 công suất 105 W, cột áp 5 m và bơm 2 công suất 150 W, cột áp 4,5 m) nhằm mục đích tăng tổng cột áp, đảm bảo lưu lượng nước giải nhiệt tuần hoàn liên tục qua dàn ngưng.

4. Sự khác biệt về nhiệt độ giữa hai chế độ vận hành trên tới hạn và dưới tới hạn thể hiện như thế nào qua thực nghiệm?
Khi vận hành ở chế độ trên tới hạn (áp suất đầu đẩy $76\text{ kg/cm}^2$), nhiệt độ đầu đẩy máy nén trung bình đạt $92,12\ ^\circ\text{C}$, cao hơn khoảng $10\ ^\circ\text{C}$ so với chế độ dưới tới hạn (trung bình khoảng $83\ ^\circ\text{C}$, chênh lệch tức thời lớn nhất là $21\ ^\circ\text{C}$). Sau khi đi qua thiết bị ngưng tụ, nhiệt độ môi chất trước van tiết lưu ở trạng thái trên tới hạn thấp hơn và có xu hướng giảm dần từ $25\ ^\circ\text{C}$, trong khi ở trạng thái dưới tới hạn nhiệt độ lại có xu hướng tăng từ $25\ ^\circ\text{C}$ trở lên.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành việc tính toán, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất tự nhiên $CO_2$ với thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống uốn lò xo dài 23 m. Nghiên cứu giải quyết được vấn đề nạp môi chất tinh khiết thông qua bình xử lý thăng hoa đá khô chịu áp 3,5 MPa và làm chủ quy trình vận hành hệ thống ở mức áp suất cao trên $76\text{ kg/cm}^2$. Các dữ liệu thực nghiệm đã xác nhận thiết bị ngưng tụ ống lồng ống giải nhiệt bằng nước có khả năng hạ nhiệt độ môi chất $CO_2$ hiệu quả trước khi qua van tiết lưu, cung cấp cơ sở kỹ thuật thực tiễn cho các nghiên cứu ứng dụng môi chất lạnh thân thiện môi trường tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Lý do chọn đề tài Xã hội ngày càng phát triển, quá trình đô thị hoá, công nghiệp hoá đang diễn ra mạnh mẽ trên thế giới. Theo một số dự báo, tới năm 2050 gần 70% dân số thế giới sẽ sống trong các đô thị, vì thế nhu cầu sử dụng điều hoà, làm lạnh cũng theo đó mà tăng lên, các thiết bị liên quan đến hệ thống cũng được nâng cấp và phát triển và phù hợp hơn. Chính vì nhu cầu đó, môi chất lạnh – dòng máu của các hệ thống lạnh cũng ngày càng được sử dụng nhiều hơn.

Tuy nhiên, chúng ta đang đối mặt với sự giảm lượng ôzôn trong khí quyển, mà chủ yếu sự suy giảm trong tầng bình lưu đang là điều cảnh báo đối vơi nhân loại, nhắc nhở chúng ta phải có những hành động cụ thể bảo vệ tầng ôzôn và đó cũng là mối quan tâm của ngành lạnh và điều hòa không khí, nơi sở hữu nhiều nhất các CFC, HCFC làm suy giảm tầng ôzôn một khi nó được xả vào khí quyển. Nhận thấy được mối nguy đó, bắt đầu từ những năm 1987 cho đến nay, đã có nhiều hội nghị quốc tế gồm nhiều quốc gia tham dự đã đưa ra các cam kết hạn chế và kiểm soát các môi chất lạnh nếu nó có chỉ số làm suy giảm tầng ôzon ODP (ODP – Ozon Depletion Potential) lớn hơn không và khuyến khích sử dụng các môi chất lạnh được sử dụng lâu dài gồm các môi chất lạnh có ODP = 0 và có trị số GWP ( GWP – Global Warming Potentia) khả năng làm nóng toàn cầu thấp. Với môi chất lạnh CO2 (R744) được xem là môi chất lạnh của tương lai bởi nó có trị số ODP=0, GWP=1, là gas lạnh có sẵn trong tự nhiên, không mùi, chi phí rẻ và thân thiện với con người. Việc nghiên cứu phát triển và đưa ra các giải pháp phù hợp và hiệu quả cho các thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng môi chất CO 2 ngày càng được các nhà khoa học thực hiện nhằm đưa môi chất này sớm được đưa vào sử dụng rộng rãi trên thế giới.

Để góp phần vào việc tìm các thiết bị giải nhiệt phù hợp và hiệu quả dành cho môi chất CO2, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo và thực nghiệm thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống sử dụng môi chất CO2 cho hệ thống điều hoà không khí” để đưa ra một giải pháp, góp phần cho sự nghiên cứu sau này. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Môi chất CO2 là một môi chất còn khá mới tại Việt Nam nhưng ở nước ngoài thì hiện nay đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu khá nhiều. Các quá trình nghiên cứu, thực nghiệm đã đóng góp tích cực cho mọi lĩnh vực trong đời sống vì đây là môi chất của “tương lai” với với rất nhiều những cải tiến, một môi chất thân thiện với con người và môi trường. Nhưng CO2 có những đặc tính mà các môi chất khác không có.

Dưới đây là một số bài báo liên quan nhóm đã tìm hiểu để làm cơ sở thực hiện đề tài này. RodrigoLlopis [1] cùng các cộng sự đã nghiên cứu về phương pháp quá lạnh CO2 để nâng cao hiệu suất cho hệ thống lạnh có sử dụng môi chất CO2 và đạt được kết quả khả quan: Cải thiện 12% hiệu quả của tổng thể của bộ trao đổi nhiệt bên trong, 22% với bộ quá nhiệt Economizers, …Bài viết đã xem xét một cách toàn diện các nghiên cứu gần đây coi việc quá lạnh là một cách để nâng cấp hiệu suất của các chu trình làm lạnh CO2. Nghiên cứu này được thực hiện theo các bước như sau: Đầu tiên, thảo luận và đưa ra các mô tả về các khía cạnh nhiệt động học của quá trình quá lạnh trong các chu trình làm lạnh CO2; Thứ hai, các kết quả và kết luận chính của các cuộc khảo sát gần đây được phân tích trong hai nhóm lớn: các phương pháp quá lạnh bên trong và các phương pháp làm lạnh phụ bên ngoài. Cuối cùng, đánh giá tổng hợp tình trạng hiện tại của nghệ thuật và chỉ ra các dòng nghiên cứu xứng đáng với sự phát triển trong tương lai.

Aranguren [2] cùng cộng sự đã nghiên cứu, thực nghiệm chu trình nén sử dụng môi chất CO2 bao gồm một thiết bị quá lạnh tại đầu ra của thiết bị. Nghiên cứu này cho thấy được COP của hệ thống đã tăng lên đáng kể khi bộ quá lạnh được thiết kế và vận hành một cách đúng kỹ thuật. Cơ sở thí nghiệm được nghiên cứu đã được thực nghiệm trong các điều kiện môi trường không đổi (30 °C và độ ẩm tương đối là 55%) và duy trì nhiệt độ bay hơi ở -10 °C; trong khi điện áp cung cấp cho các mô-đun nhiệt điện và điện trở nhiệt của bộ trao đổi nhiệt nằm ở bộ làm mát phụ nhiệt điện đã được sửa đổi bằng thực nghiệm. trong khi điện áp cung cấp cho các mô-đun nhiệt điện và điện trở nhiệt của bộ trao đổi nhiệt nằm ở bộ làm mát phụ nhiệt điện đã được sửa đổi bằng thực nghiệm.

Điện áp cung cấp cho các quạt đặt tại các bộ trao đổi nhiệt này đã được điều chỉnh, điều này có nghĩa là độ lệch hiệu suất nhiệt của các bộ trao đổi nhiệt và sự thay đổi về mức tiêu thụ điện năng của thiết bị làm mát. Kết quả cho thấy mức tăng thử nghiệm trên COP là 11,3% trong khi công suất làm mát tăng 15,3% khi các mô-đun nhiệt điện được cung cấp 2 V và quạt 9 V. Ngoài ra, tầm quan trọng của việc tối ưu hóa điện áp cung cấp cho các mô-đun nhiệt điện và đến mức tiêu thụ phụ của bộ làm mát phụ nhiệt điện được đề cập trong nghiên cứu này. MazyarKarampour [3] cùng cộng sự đã nghiên cứu các tính năng tích hợp và tiên tiến nhất của các hệ thống tăng áp xuyên tới hạn CO2.

Mục tiêu chính là xác định các giải pháp hứa hẹn nhất về tác động hiệu quả năng lượng. Đầu tiên, hiệu suất của các tính năng được sửa đổi và chức năng tích hợp đã được so sánh với hệ thống CO2 tiêu chuẩn và các giải pháp điều hòa không khí và sưởi ấm thay thế. Sau đó, hiệu suất của hệ thống CO2 hiện đại đã xác định được so sánh với các giải pháp làm lạnh gián tiếp dựa trên dòng thác chất làm lạnh tự nhiên và DX dựa trên HFC/HFO và các giải pháp làm lạnh gián tiếp hoạt động ở vùng khí hậu lạnh và ấm. Kết quả chỉ ra rằng thu hồi nhiệt hai giai đoạn, bay hơi ngập nước, nén song song và tích hợp điều hòa không khí là những tính năng hứa hẹn nhất của hệ thống CO2 tích hợp hiện đại.

Hệ thống nhỏ gọn và thân thiện với môi trường này là giải pháp tiết kiệm năng lượng nhất ở vùng khí hậu lạnh và cũng là giải pháp hiệu quả ở vùng khí hậu ấm áp, với hiệu quả tương đương với các hệ thống HFC/HFO DX theo tầng và HFC/HFO, nhưng không có giới hạn hiện tại hoặc tiềm năng. Lorentzen và Petterson [4] đã đánh giá khả năng sử dụng bộ trao đổi nhiệt trong hệ thống trên tới hạn CO2. Hwang và cộng sự [5] cho thấy các kết quả thực nghiệm và nghiên cứu mô phỏng bao gồm các giai đoạn mở rộng và chu kỳ giai đoạn kép. Groll và cộng sự [6] thực hiện phân tích số của chu trình kép thay đổi tỷ số nén của mỗi giai đoạn nén.

Bhattacharyya và cộng sự [7] cho thấy một nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống ghép tầng CO2 / C3H8 để làm mát và sưởi ấm. [8] Kim và cộng sự đã tổng kết những cải tiến về hiệu suất của các hệ thống dựa trên CO2 và các ứng dụng của chúng. Họ đã cung cấp một đánh giá quan trọng về tài liệu và thảo luận về các xu hướng và đặc điểm quan trọng trong sự phát triển của công nghệ CO2 trong các ứng dụng làm lạnh Deng và cộng sự [9] đã mô tả một phân tích lý thuyết về chu trình làm lạnh giãn nở của vòi phun CO2 trên tới hạn, sử dụng vòi phun làm thiết bị giãn nở chính thay vì van giãn nở. Youngming và cộng sự [10] đã xây dựng và thử nghiệm hệ thống làm lạnh carbon dioxide hấp thụ nén ướt.

Fernández-Seara và cộng sự [11] đã phân tích hệ thống lạnh ghép tầng nén - hấp thụ coi CO2 và NH3 là chất làm lạnh trong giai đoạn nén và cặp NH 3 – H2O trong giai đoạn hấp thụ và đánh giá khả năng cấp nguồn cho hệ thống lạnh ghép tầng bằng hệ thống đồng phát. Lee và cộng sự [12] đã thực hiện một phân tích nhiệt động lực học về nhiệt độ ngưng tụ tối ưu của bình ngưng – ghép tầng trong hệ thống lạnh ghép tầng CO2 / NH3. Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của hiệu suất máy nén đẳng entropy và giới hạn thực tế của nhiệt độ xả máy nén không được tính đến và hiệu quả sử dụng không được đánh giá. Phạm vi của nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phân tích các thông số thiết kế và vận hành của hệ thống làm mát ghép tầng CO 2 / NH3 và ảnh hưởng của nó đối với COP của hệ thống và hiệu suất sử dụng.

Ý nghĩa thống kê của từng tham số được đánh giá đã được phân tích. Hơn nữa, nghiên cứu tối ưu hóa các thông số này đã được đưa vào để cho thấy COP cao nhất. Cuối cùng, một cuộc thảo luận về ảnh hưởng của hiệu suất đẳng entropy của máy nén đối với hệ thống tối ưu COP được trình bày Gulloa [13] cùng các cộng sự đã nghiên cứu hiệu suất của các thiết bị làm lạnh sử dụng môi chất CO2 đã được nghiên cứu cho một cửa hàng thực phầm bán lẽ ở các vùng Châu Âu với khí hậu đa dạng. Kết quả cho thấy, so sánh giữa môi chất R404A được sử dụng rộng rãi hiện nay với môi chất R774 đang trong quá trình nghiên cứu thì các kết quả cho thấy so với hệ thống sử dụng môi chất R404A thì hệ thống lạnh sử dụng môi chất lạnh R744 trên cùng một công suất sẽ tiết kiệm năng lượng hơn từ 3% đến 37,1% trên khắp châu Âu.

Bài báo này còn cho ta thấy giới hạn hiệu suất năng lượng thường gặp bởi các hệ thống làm lạnh R744 qua mức tăng nhiệt độ ngoài trời biến mất với sự trợ giúp của máy phun. Cuối cùng, cuộc điều tra còn chứng mình là sử dụng các máy phun song song cho hệ thống R744 sẽ đem lại hiệu suất cao hơn và thiên thiện với ngành thực phẩm bán lẽ ở Châu Âu.