Chương 1: Tổng quan về đề tài Chương 2: Tổng quan về lý thuyết Ejector Chương 3: Mô hình toán học Chương 4: Đánh giá kết quả nghiên cứu Chương 5: Mô phỏng ejector bằng phần mềm Ansys-Fluent 4 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT EJECTOR VÀ MÔI CHẤT LẠNH 2. Ejector Ejector, còn được gọi là "jet ejector" hoặc "ejector pump" là một loại thiết bị sử dụng hiệu ứng Venturi của một vòi phun hội tụ - phân kỳ (ống laval). Thiết bị hoạt động dựa trên các nguyên lý cơ bản của chất lỏng và khí, chuyển đổi năng lượng áp suất của dòng chất lỏng hoặc khí chuyển động thành năng lượng vận tốc.
Tạo ra một vùng áp suất thấp có thể thấp hơn áp suất môi trường nơi mà tại đó có thể hút một dòng chất khí hoặc lỏng. Ejector không phải là công nghệ mới và đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Với hệ thống lạnh ejector, thực chất là hệ thống lạnh nén hơi, trong đó máy nén được thay thế bằng ejector. Vì vậy, ejector là một trong những bộ phận cốt lõi của hệ thống lạnh, thông tin về thiết kế và hiệu suất của ejector là rất quan trọng.
Phương pháp làm thực nghiệm là một trong những cách tốt nhất để thu thập dữ liệu nhưng sẽ tốn nhiều nhân lực, vật liệu và kinh tế. Vì vậy, nghiên cứu lý thuyết là lựa chọn ưu tiên cho đánh giá hiệu suất ejector. Có nhiều mô hình lý thuyết được đưa ra, nhưng chỉ có một số mô hình tiên phong và làm nền móng để đánh giá hiệu suất ejector theo lý thuyết động lực học chất lỏng. Lịch sử nghiên cứu và phát triển Năm 1942, Keenan và các cộng sự [2,3] đã đưa ra lý thuyết về ejector đầu tiên.
Trình bày phương pháp phân tích một chiều của ejector, áp dụng các phương trình bảo toàn năng lượng, khối lượng, mô men cho từng phần của ejector. Phân tích xem xét giữa việc hòa trộn các dòng chính và dòng phụ ở điều kiện áp suất không đổi và hòa trộn các dòng ở điều kiện diện tích không đổi. Đối với các điều kiện phân tích được xem xét, phương pháp hòa trộn ở áp suất không đổi có thể đạt được hiệu suất tốt hơn. So sánh giữa kết quả thực nghiệm và phân tích cho thấy sự phù hợp tốt đối với nhiều biến số.
Và trong nghiên cứu này, tác giả cho rằng áp suất ở ngõ ra vòi phun bằng với áp suất ở ngõ vào buồng hút. Một số dữ liệu thực nghiệm tối ưu về chiều dài ống diện tích không đổi để trộn hai dòng môi chất cũng được trình bày. Từ đó đưa ra phương pháp thiết kế hình học ejector, được nhiều nhà nghiên cứu sau này ứng dụng. Stoecker [4] đề xuất một mô hình toán học đầu tiên bằng cách sử dụng dữ liệu hệ số Reynolds để thiết kế hình học ejector sử dụng đặc tính khí thực thay vì những đặc tính thu 5 được từ giả định khí lý tưởng.
Mô hình này yêu cầu phải lặp đi lặp lại để tính toán các trạng thái dòng môi chất xảy ra bên trong ejector và xuyên qua vùng sóng xung kích. Quá trình tính toán này đòi hỏi một số loại môi chất lạnh có tính chất nhiệt động phù hợp để đáp ứng yêu cầu của giải pháp. Vì vậy, vào thời điểm đó, việc tính toán trạng thái dòng môi chất là khá khó khăn nếu chỉ sử dụng tính toán và bảng tính chất nhiệt động thông thường (đặc biệt ở áp suất tuyệt đối rất thấp và gần nhiệt độ đóng băng). Munday và Bagster [5] đưa ra lý thuyết về “Hypothetical throat area” (diện tích cổ giả định) hay gọi là “effective area” (vùng diện tích tác động cho dòng bị cuốn đạt tốc độ âm thanh), điều này được tác giả giả thuyết là khi dòng chính ra khỏi vòi phun sẽ tạo thành một tia có dạng hình học cụ thể, dòng tia này sẽ lôi cuốn dòng phụ cho quá trình hoà trộn, và cổ giả định này được xác định cho dòng bị cuốn ở chế độ tới hạn.
Sau đó, Huang et al (1985) [6] đã xác định từ thực nghiệm cổ giả định với hệ thống ejector R113. Huang và các cộng sự đo tỷ số lôi cuốn khi thay đổi áp suất dòng chính, dòng phụ và tìm ra vị trí đạt tốc độ âm thanh của dòng phụ là yếu tố quan trọng đối với ejector. Và họ cũng đưa ra lý thuyết quan trọng về áp suất ngưng tụ tới hạn. Huang và cộng sự (1999) [7] đã nghiên cứu mô hình toán học tính toán ejector và có làm thực nghiệm cho hệ thống lạnh ejector R141b.
Mô hình được thành lập dựa trên quan hệ đẳng entropy của khí lý tưởng. Huang và cộng sự đã trình bày một mô hình ejector chi tiết, trong đó có một số sửa đổi đề xuất theo mô hình của Munday & Bagster. Những sửa đổi quan trọng nhất gồm: đầu tiên là cổ giả định, vị trí dòng phụ đạt vận tốc âm thanh, được giả định là nằm trong vùng có diện tích không đổi. Giả thuyết này cho phép xác định dòng chính và dòng phụ ở vị trí này một cách tương đối đơn giản.
Thứ hai, quá trình trộn lẫn của hai dòng xảy ra trong phần có diện tích không đổi với áp suất đồng đều (thay vì nằm trong vùng hòa trộn như các nghiên cứu khác). Mô hình của Huang có thể được sử dụng để dự đoán hiệu suất ejector ở chế độ vận hành tới hạn. Các ảnh hưởng của tổn thất ma sát và hoà trộn được xem xét bằng cách áp dụng các hằng số thực nghiệm (hiệu suất đẳng entropy) được xác định bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, hiệu suất của ejector có thể phụ thuộc vào nhiệt độ vận hành, kích thước hình học, môi chất lạnh làm việc, v.
Cũng nhận thấy rằng mức độ quá nhiệt ở đầu vào có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của ejector. Tuy nhiên, độ quá nhiệt không được xem xét trong mô hình toán học của ông. Phân loại ejector Dựa vào hình học và tính chất dòng môi chất lạnh bên trong ejector, sẽ phân ejector thành một số loại sau đây: - Dòng môi chất có thể phân thành dòng một pha (single-phase), dòng hai pha (two- phase); dòng môi chất nén được (compressible) hoặc không nén được (incompressible) phụ thuộc vào sự kết hợp dòng chất lỏng ở trạng thái nào (lỏng, hơi, lỏng - hơi, hơi - lỏng). - Hình học ejector: Mặt cắt ngang có thể dạng hình tròn, hình chữ nhật; xét về vòi phun có loại một hoặc nhiều vòi phun, hình dạng vòi phun có loại vòi phun hội tụ (convergent nozzle) hoặc vòi phun hội tụ - phân kì (convergent-divergent nozzle); vùng hoà trộn bên trong ejector có hai kiểu là vùng hoà trộn áp suất không đổi (constant pressure mixing section) và vùng hoà trộn diện tích không đổi (constant area mixing section).
Sơ đồ phân loại ejector Tuy nhiên, về nguyên tắc các quá trình làm việc ở tất cả các loại ejector đều giống nhau. Nhưng sau nhiều nghiên cứu và phân loại thì ejector có vòi phun đơn, hình trụ được sử dụng nhiều nhất vì tính đơn giản của nó. 7 - Keenan và cộng sự [8] đã thực hiện nghiên cứu toàn diện đầu tiên về ejector vùng hòa trộn có áp suất không đổi và ejector vùng hòa trộn có diện tích không đổi. Trong suốt thời gian kể từ khi đó, có nhiều cải tiến đáng kể đã được thực hiện trong phân tích vùng hòa trộn có diện tích không đổi giúp ta hiểu rõ hơn về quá trình dòng môi chất hoạt động, nhờ vậy hiệu suất của chúng có thể được dự đoán với mức độ chính xác cao.
Ngược lại, quá trình dòng môi chất lạnh chảy trong các ejector vùng áp suất không đổi vẫn chưa được hiểu đầy đủ và câu hỏi về hình dạng tối ưu của phần hòa trộn vẫn chưa được giải đáp. Do đó, phân tích vùng hòa trộn áp suất không đổi của Keenan và cộng sự vẫn còn phù hợp cho đến ngày nay. Mặc dù hai phương pháp thiết kế có liên quan chặt chẽ với nhau nhưng thực sự không có sự so sánh trực tiếp nào giữa hiệu suất của cả hai phương pháp. - Addy và cộng sự [9] tuyên bố rằng phân tích ejector vùng diện tích không đổi của họ có thể được sử dụng với độ chính xác hợp lý để dự đoán hiệu suất cho ejector.
- Fabri & Siestrunck [10] với sự thành công của các lý thuyết khí động học đơn giản bắt nguồn từ thực tế là độ nhớt và hiệu ứng khuếch tán là cần thiết trong việc xây dựng hệ thống dòng môi chất, nhưng, trong một chuyển động đã được thiết lập, chúng đóng một vai trò nhỏ trong việc duy trì dòng chảy trong điều kiện khí gần như hoàn hảo. - Emanuel [11] đề xuất rằng lý thuyết Fabri & Siestrunck có thể được mở rộng sang các dạng hình học ejector khác, ngoại trừ dạng hình học hòa trộn áp suất không đổi khi dòng chảy được coi là không có độ nhớt. Tuy nhiên, hai điều nói trên của Emanuel đã gây ra mâu thuẫn với tuyên bố của Addy và cộng sự, vì phương pháp của họ dựa trên lý thuyết Fabri & Siestrunck. Và ông cũng nhận định ejector áp suất không đổi đã được cho là mang lại hiệu suất tốt hơn ejector có diện tích không đổi và do đó được sử dụng rộng rãi hơn.
Trong nghiên cứu hiện tại thiết kế ejector có dạng hình học là hình trụ với vòi phun đơn loại hội tụ - phân kì, vùng hoà trộn áp suất không đổi. Nguyên lý hoạt động của ejector Ejector về cơ bản bao gồm bốn phần chính: vòi phun, buồng hút, ống diện tích không đổi và ống khuếch tán. 8 Sự thay đổi vận tốc và áp suất dòng môi chất bên trong ejector được thể hiện trong hình 2.2, quá trình thay đổi được biểu diễn dọc theo vị trí chiều dài của ejector. Được giải thích như sau: - Dòng chính (primary flow) hay còn gọi là dòng cuốn mang năng lượng cao (áp suất cao, nhiệt độ cao) đi vào vòi phun từ mặt cắt g-g dưới dạng dòng môi chất lạnh có hệ số M<1.
Khi dòng này đi qua ống hội tụ của vòi phun, áp suất của nó giảm và vận tốc tăng theo kiểu tuyến tính. - Vận tốc đạt được tới vận tốc âm thanh (hệ số M=1) tại phần cổ họng (throat) mặt cắt t-t của vòi phun, đạt được điều này là do sự nghẹt (choking) tại cổ của dòng chất lỏng chính và lúc này áp suất vẫn tiếp tục giảm xuống, ta có thể sử dụng phương trình Bernouli và phương trình liên tục giải thích cho sự tăng vận tốc và giảm áp suất này.