CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Vấn đề nóng lên toàn cầu hiện nay là một vấn đề cấn thiết với cuộc sống con người và là thử thách lớn đối với các nhà khoa học. Nóng lên toàn cầu dẫn đến việc con người hiện nay phụ thuộc rất nhiều nhu cầu làm mát và đặc biệt trong công nghiệp. Sử dụng các môi chất thuộc nhóm Freon gây ảnh hưởng rất nhiều đến vấn đề phá hủy tầng Ozone và gây tác hại xấu đến môi trường.
Môi chất CO2 được xem như một giải pháp tiềm năng vì có một số lợi ích phù hợp với nhu cầu hiện nay. CO2 có nhiều ưu điểm lớn như có chỉ số GWP=1, không gây cháy nổ khi xảy ra rò rỉ. Với việc không tác động tiêu cực đến môi trường và hạn chế được các vấn đề của các môi chất hiện hữu nên các nhà khoa học trên thế giới rất quan tâm và đẩy mạnh nghiên cứu các công trình về sử dụng môi chất lạnh CO2. Nhiều nghiên cứu về mô hình sử dụng môi chất lạnh CO2 trước đó đã thực hiện, các đề tài thực nghiệm nghiên cứu về giới hạn hoạt động môi chất, tối ưu khả năng hoạt động của hệ thống về mặt động lực học, hiệu quả năng lượng và khả năng truyền nhiệt,….
Các kết quả nghiên cứu chỉ ra hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO2 cho việc làm lạnh nhiệt độ thấp được đánh giá rất cao. Nhưng khuyết điểm của các nghiên cứu tối ưu hệ thống thông qua các phương pháp thực nghiệm truyền thống đó là việc thực nghiệm tốn rất nhiều thời gian, chi phí để thực hiện các thực nghiệm để đưa ra được kết quả tối ưu nhất mà các nhà nghiên cứu mong muốn. Phương pháp Taguchi được đưa ra để khắc phục những khuyết điểm trên. Ưu điểm của phương pháp này là phương pháp Taguchi giúp giảm số lượng thử nghiệm cần thiết để tối ưu hóa quá trình chạy hệ thống.
Phương pháp Taguchi cho phép cho ta sử dụng một vài các nhân tố của hệ thống và một vài các mức độ hoạt động của các nhân tố. Việc đó giúp cho ta tiết kiệm chi phí và thời gian thực nghiệm so với các phương pháp tối ưu truyền thống. Đây phương pháp cho việc tối ưu quá trình xử lý số liệu nên nhóm đã chọn đề tài: “Tối ưu hóa thông số nhiệt động hệ thống lạnh ghép tầng dùng cặp môi chất R134a/R744” sử dụng phương pháp Taguchi và phân tích phương sai (ANOVA) là chủ đề nghiên cứu chính cho bài đồ án tốt ngiệp của nhóm. Đây là hướng nghiên cứu khá mới 1 Đồ án tốt nghiệp nhằm tìm hiểu các đặc tính nhiệt động liên quan đến hệ thống lạnh ghép tầng R134a/R744 và ảnh hưởng của các nhân tố nhiệt độ ảnh hưởng đến COP của hệ thống.
Tình hình nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu trong nước Thanhtrung Dang và Baoha T. Le [1] đã khảo sát thực nghiệm đối với hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng cặp môi chất lạnh R134a/R744. Quá trình thực nghiệm được tiến hành trong cùng một điều kiện nhiệt độ môi trường là 33℃.
Với chu trình tầng thấp có lưu lượng khối lượng của CO2 là 27 kg/h, nhiệt độ bay hơi là -30℃, nhiệt độ ngưng tụ là 7,9℃, công suất lạnh của cả hệ thống là 1,62 kW và COP của cả hệ thống là 1,9 thì nhiệt độ buồng lạnh giảm từ 33℃ xuống -20℃. Thanhtrung Dang cùng cộng sự [2] đã nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính truyền nhiệt của dàn bay hơi micro sử dụng môi chất lạnh R134a. Trong thực nghiệm này, dòng nhiệt tăng khi tăng lưu lượng không khí đi qua thiết bị bay hơi ở nhiệt độ là 30℃. COP và năng suất lạnh của thiết bị bay hơi tăng khi tăng lưu lượng môi chất.
Công suất làm lạnh đạt được tối đa và COP của thiết bị bay hơi lần lượt là 840W và 4,58. Ở lưu lượng thể tích của R134a là 47,5 l/s và nhiệt độ không khí vào thiết bị bay hơi là 30℃ thì COP của thiết bị bay hơi micro lớn hơn 1,4 lần so với COP của thiết bị bay hơi micro mẫu FNA-0,25/1,3. Thanhtrung Dang cùng cộng sự [3] đã thực hiện một nghiên cứu thực nghiệm về quá trình làm lạnh của chu trình CO2 chuyển tới hạn sử dụng thiết bị bay hơi micro. Chu trình này gồm có hai bộ làm mát phụ khác nhau là S1 (gồm có 2 pass và diện tích truyền nhiệt là 0,034 m2) và S2 (gồm có 4 pass và diện tích truyền nhiệt là 0,068 m2); hai dàn trao đổi nhiệt này được lắp đặt bên trong buồng lạnh.
Qua thực nghiệm cho thấy, chu trình có bộ làm mát phụ S2 có COP tốt hơn so với chu trình có bộ làm mát S1. 2 Đồ án tốt nghiệp Bảng 1. Bảng tóm tắt các nghiên cứu liên quán đến đề tài. STT Tên đề tài nghiên cứu Nội dung đề tài nghiên cứu - Đánh giá thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng Nghiên cứu hệ thống lạnh ghép sử 1 tầng dụng cặp môi chất lạnh R134a/ CO2 ứng với nhiệt độ bay hơi của CO2 là -30oC [1].
- Nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính truyền Nghiên cứu hệ thống lạnh sử dụng 2 nhiệtcủa dàn bay hơi micro sử dụng môi chất môi chất R134a R134a [2]. - Nghiên cứu thực nghiệm quá trình làm lạnh của Nghiên cứu hệ thống lạnh sử dụng chu trình chuyển tới hạn dùng môi chất CO2 3 môi chất CO2 sử dụng thiết bị bay hơi microchanel [3]. Qua các bài nghiên cứu trên nhóm nhận thấy chưa có bài nghiên cứu nào đi sau vào các thông số nhiệt động và kết hợp nhiều phương pháp trong quá trình nghiên cứu. Vì vậy nhóm đã quyết định chọn hướng nghiên cứu sử dụng đồng thời hai phương pháp phân tích Taguchi và phương sai ANOVA để đi sau phân tích về tác động của các thông số nhiệt động từ đó có thể cải tiến hệ thống.
Tình hình nghiên cứu ngoài nước Ustaoglu cùng cộng sự [4] đã đánh giá bằng cách xem xét các phương pháp Taguchi và ANOVA để tối ưu hóa hiệu suất. Việc phân tích được thực hiện để đạt được điều kiện vận hành tối ưu nhằm đạt được COP và hiệu quả exergy tối đa. Tác động của các thông số vận hành đến hiệu suất năng lượng và exergy đã được nghiên cứu. Theo kết quả nghiên cứu cho thấy, thông số ảnh hưởng lớn nhất đến COP và hiệu suất ảnh hưởng là nhiệt độ bay hơi tầng thấp, nhiệt độ ngưng tụ tầng thấp, nhiệt độ ngưng tụ tầng cao và hiệu suất đẳng entropy của máy nén và phần trăm tác động lần lượt là 58,1%, 14,4%, lần lượt là 10,25% và 7,47%.
Điều kiện vận hành tối ưu nhất đã được xác định là A3B3C1D1E3F3G3H2J1K2. Hiệu suất COP và hiệu xuất exergy nằm trong khoảng thông số vận hành trong điều kiện vận hành 3 Đồ án tốt nghiệp lần lượt là 3,274 và 37,63%. Đây là hơn 27 kết hợp khác nhau của các kết quả đánh giá nhiệt động lực học. Nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ của chu trình tầng thấp và nhiệt độ ngưng tụ tầng cao cho toàn bộ hệ thống có tỷ lệ tăng hoặc giảm là 3,92%/℃, 2,2%/℃ và 1,61%/℃.
Việc đánh giá tham số chứng thực kết quả của phương pháp Taguchi và ANOVA. Canbolat cùng cộng sự [5] đã nghiên cứu nhiều yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến hiệu suất năng lượng (tức là COP và eCOP) của hệ thống lạnh hấp thụ (ARS) như nhiệt độ của máy phát, thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi và thiết bị hấp thụ, hiệu suất của dung dịch, chất làm lạnh và các bộ trao đổi nhiệt dung dịch, môi chất lạnh và hiệu suất đẳng entropy của bơm dung dịch. Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào các tham số này, nhưng thứ tự tầm quan trọng và tỷ lệ đóng góp của các tham số do hiệu suất nhiệt động lực học chưa được xác định bằng phương pháp thống kê. Đầu tiên, mô hình nhiệt động của chu trình được thiết lập và sự biến thiên của COP và eCOP được tính toán cho các điều kiện làm việc khác nhau với các phạm vi thông số khác nhau.
Tác động của các thông số này đến COP và eCOP được kiểm tra riêng biệt trên cơ sở thống kê. Thứ tự quan trọng của các tham số được xác định bằng cách sử dụng phương pháp Taguchi và ANOVA và kết quả được so sánh. Điều kiện vận hành tối ưu được xác định bằng phương pháp phân tích thống kê cho COP và eCOP. Trong các điều kiện vận hành này, COP và eCOP của hệ thống được xác định là 0,697 và 0,2829.
Hơn nữa, để tối đa hóa đồng thời hai chỉ số hiệu suất này, Phân tích quan hệ Taguchi-Grey (GRA) được sử dụng. Bằng cách sử dụng phương pháp này, thứ tự quan trọng của các thông số được kiểm tra trên nhiều đặc tính hiệu suất sẽ được xác định. Nhiệt độ thiết bị hấp thụ và thiết bị bay hơi ảnh hưởng nhất trên nhiều đặc tính hiệu suất với tỷ lệ đóng góp là 29,66% và 26,34% trên tổng phần trăm đóng góp trong khi các thông số có phần trăm đóng góp thấp là hiệu suất bơm và hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt môi chất lạnh dung dịch với phần trăm đóng góp là 0,48 % và 2,41% tương ứng. Đối với điều kiện tốt nhất khi xem xét nhiều đặc tính hiệu suất, COP và eCOP của hệ thống lần lượt được xác định là 0,6255 và 0,2829.
4 Đồ án tốt nghiệp Alaattin Metin Kaya [6] đã tối ưu hóa hệ thống làm lạnh nhiều cấp bằng phương pháp tối ưu hóa Taguchi và ANOVA được áp dụng để xác định sự tác động của các yếu tố đến hiệu suất hệ thống. Các điều kiện vận hành tốt nhất đã được xác định để đạt được tối đa hiệu suất COP và hiệu suất exergy. Các thông số quan trọng đã được xác định để tối đa hóa hiệu suất của hệ thống. Nhiệt độ thiết bị bay hơi được xác định là có phần trăm đóng góp lớn nhất (46,32%) và tiếp theo là nhiệt độ ngưng tụ (32,65%) cho COP tối đa.
Hai thông số quan trọng nhất được xác định là nhiệt độ bay hơi với 29,14% và nhiệt độ ngưng tụ với 20,34% để đạt hiệu suất exergy tối đa. Theo kết quả của 27 thí nghiệm, COP cao nhất của hệ thống được xác định là 2,67 và hiệu suất exergy là 55,22%. Bằng cách sử dụng mức độ tối ưu của các yếu tố bằng phương pháp Taguchi, người ta đã thấy rằng COP của hệ thống được tăng lên 3,326 và hiệu suất exergy của nó lên 71,23%. Các phân tích ANOVA chỉ ra rằng mức độ tin cậy của kết quả tương đối cao là 99,9%.