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.