Thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng r134a CO2 dùng các bộ trao đổi nhiệt compact đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... i
MỤC LỤC .......................................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT............................................................. iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................. iv
DANH MỤC BẢNG............................................................................................................v
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...............................................................................................1

1.1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................. 1
1.2. Tình hình nghiên cứu ..................................................................................... 1
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước ........................................................... 1
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................ 9
1.3. Mục tiêu đề tài .............................................................................................. 10
1.4. Đối tượng và giới hạn đề tài ......................................................................... 11
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................ 11
1.4.2. Giới hạn đề tài ....................................................................................... 11
Năng suất lạnh của hệ thống ở 2000W, nhiệt độ phòng lạnh – 20oC. T ............. 11
1.5. Nội dung và phương pháp nghiên cứu ......................................................... 11
1.5.1. Nội dung nghiên cứu ................................................................................. 11
1.5.2. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 11
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................12

2.1. Cơ sở truyền nhiệt ........................................................................................ 12
2.2. Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm ............................................. 12
2.2.1. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm ............................................................ 13
2.2.2. Ưu và nhược điểm ................................................................................. 14
2.3. Máy lạnh ghép tầng ...................................................................................... 14
2.3.1. Nguyên lí hoạt động .............................................................................. 14


2.3.2. Đặc điểm chu trình máy lạnh ghép tầng ............................................... 16

2.3.3. Ưu điểm và nhược điểm ........................................................................ 16
2.4. Môi chất lạnh CO2 (R744) và R134a ........................................................... 17
2.4.1. Môi chất lạnh CO2 ................................................................................. 17
2.4.2. Môi chất lạnh R134a ............................................................................. 19
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ............................................................................20

3.1. Tính tốn số liệu sơ bộ ................................................................................. 20
3.2. Tầng dưới môi chất lạnh CO2....................................................................... 21
3.2.1. Tính cấp nén của chu trình .................................................................... 22
3.2.2. Tính tốn, thiết lập thông số các điểm nút ............................................ 22
3.2.3. Chọn thiết bị cho hệ thống .................................................................... 23
3.3. Tầng trên môi chất lạnh R134a .................................................................... 29
3.3.1. Tính cấp nén của chu trình .................................................................... 30
3.3.2. Tính tốn, thiết lập thơng số các điểm nút ............................................ 30
3.3.3. Chọn thiết bị cho hệ thống .................................................................... 32
3.4. Hệ số COP của hệ thống .............................................................................. 35
3.5. Tính tốn sơ bộ bộ trao đổi nhiệt micro ....................................................... 35
CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM .................................................43

4.1. Thiết lập mơ hình hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 .............................. 43
4.1.1. Thiết lập mơ hình thực nghiệm ............................................................. 43
4.1.2. Quy trình vận hành hệ thống thực nghiệm ............................................ 44
4.2. Các thiết bị chính của hệ thống .................................................................... 45
4.2.1. Máy nén tầng thấp CO2 ......................................................................... 45
4.2.2. Bộ trao đổi nhiệt kênh micro ................................................................. 45
4.2.3. Thiết bị tiết lưu tầng thấp CO2 .............................................................. 47


4.2.4. Thiết bị bay hơi tầng thấp CO2.............................................................. 47
4.2.5. Máy nén tầng cao R134a ....................................................................... 47

4.2.6. Thiết bị ngưng tụ tầng cao R134a ......................................................... 48
4.2.7. Thiết bị tiết lưu tầng cao R134a ............................................................ 49
4.3. Các thiết bị đo .............................................................................................. 49
4.3.1. Đồng hồ đo áp suất ................................................................................ 50
4.3.2. Đồng hồ đo nhiệt độ .............................................................................. 51
4.3.3. Thiết bị đo lưu lượng............................................................................. 53
4.3.4. Ampe kìm .............................................................................................. 55
4.3.5. VOM ...................................................................................................... 55
CHƯƠNG 5: CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ..............................58

5.1. Tính tốn kết quả thực nghiệm cho trường hợp 1 ........................................ 58
5.1.1. Thông số điểm nút tầng thấp CO2 ......................................................... 58
5.1.2. Thông số điểm nút tầng cao R134a ....................................................... 60
5.2. Tính tốn kết quả thực nghiệm cho trường hợp 2 ........................................ 61
5.2.1. Thông số điểm nút tầng thấp CO2 ......................................................... 61
5.2.2. Thông số điểm nút tầng cao R134a ....................................................... 63
5.3. Nhận xét và đánh giá .................................................................................... 64
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................68

6.1. Kết luận ........................................................................................................ 68
6.2. Kiến nghị ...................................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................69


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
GWP: chỉ số nóng lên tồn cầu
ODP: tiềm năng phá hủy tầng ozone
NTU: số đơn vị truyền nhiệt
COP: hệ số hiệu quả năng lượng
HFC: hydrofluorocarbons - là một chất làm lạnh sử dụng rộng rãi trong máy

điều hịa khơng khí và tủ lạnh
π: tỉ số nén
λ: hệ số dẫn nhiệt (W/m.K)
d: chiều rộng (m)
ε: hệ số làm lạnh
F: diện tích (m2)

δ: chiều dày (m)
h: entalpy (kJ/kg)
k: hệ số truyền nhiệt

l: công nén riêng (kJ/kg)
L: chiều dài (m)
m: lưu lượng môi chất (kg/s)
N: công nén (kW)
η: hiệu suất, (%)

p: áp suất (bar)
ρ: khối lượng riêng, (kg/m3)

Qo: năng suất lạnh (kW)
qo: năng suất lạnh riêng (kJ/kg)
Qk: công suất nhiệt (kW)
qk: công suất nhiệt riêng (kJ/kg)
T: nhiệt độ Kelvin (K)
t: nhiệt độ (oC)
Δt: độ chêch lệch nhiệt độ (K)
V: thể tích hút (m3/s)

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2. 1: Cấu trúc thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm ............................................... 13
Hình 2. 2: Dịng chuyển động của lưu chất nóng (đỏ) và lạnh (xanh) .................... 14
Hình 2. 3: Sơ đồ ngun lí chu trình máy lạnh ghép tầng R134a-CO2 ................... 15
Hình 2. 4: Sơ đồ chuyển pha theo áp suất nhiệt độ của CO2 ................................. 17
Hình 2. 5: Biểu đồ áp suất – enthalpy của mơi chất CO2 (R744) .......................... 18
Hình 2. 6: Biểu đồ áp suất – enthalpy của môi chất R134a ................................... 19
Hình 3. 1: Đồ thị lgp-h của chu trình tầng dưới CO2 .............................................. 22
Hình 3. 2: Đồ thị chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa CO2 và khơng khí .............. 28
Hình 3. 3: Kích thước sơ bộ của dàn bay hơi ống mini (đơn vị: mm) .................... 29
Hình 3. 4: Đồ thị lgp-h của chu trình R134a ........................................................... 31
Hình 3. 5: Đồ thị chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa R134a và khơng khí .......... 34
Hình 3. 6: Sơ đồ quá trình trao đổi nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt micro ................. 41
Hình 3. 7: Mơ hình sơ bộ bộ trao đổi nhiệt micro................................................... 42
Hình 4. 1: Hệ thống thí nghiệm lý thuyết hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 ... 43
Hình 4. 2: Mơ hình hệ thống dựng bằng phần mềm AutoCAD 3D ........................ 44
Hình 4. 3: Máy nén CO2 tầng thấp .......................................................................... 45
Hình 4. 4: Bộ trao đổi nhiệt kênh micro [53] .......................................................... 46
Hình 4. 5: Van tiết lưu tay tầng thấp CO2 ............................................................... 47
Hình 4. 6: Thiết bị bay hơi tầng thấp CO2 .............................................................. 47
Hình 4. 7: Máy nén tầng cao R134a ........................................................................ 48
Hình 4. 8: Thiết bị ngưng tụ tầng trên R134a ........................................................ 48
Hình 4. 9: Van tiết lưu tay tầng cao R134a ............................................................. 49
Hình 4. 10: Hệ thống thí nghiệm thực tế hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2...... 49
Hình 4. 11: Bộ số hóa tín hiệu áp suất .................................................................... 50
Hình 4. 12: Đồng hồ đo áp suất chân sau ................................................................ 50
Hình 4. 13: Đồng hồ đo nhiệt độ ............................................................................ 51
Hình 4. 14: Máy đo nhiệt độ tiếp xúc kiểu K, J Extech 421509 ............................. 52
Hình 4. 15: Đồng hồ đo nhiệt độ có đầu dị DS-1 ................................................... 53
Hình 4. 16: Thiết bị đo lưu lượng CO2.................................................................... 54

Hình 4. 17: Thiết bị đo lưu lượng mơi chất R134a ................................................. 55
Hình 4. 18: Ampe kìm ............................................................................................. 55
Hình 4. 19: VOM..................................................................................................... 56
Hình 5. 1: Đồ thị lgp-h chu trình tầng thấp CO2 .................................................... 58
Hình 5. 2: Đồ thị lgp-h của chu trình tầng cao R134a ............................................ 60
Hình 5. 3: Đồ thị lgp-h chu trình tầng thấp CO2 ..................................................... 61
Hình 5. 4: Đồ thị lgp-h chu trình tầng thấp R134a ................................................. 63


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1: Bảng các đặc tính của môi chất CO2 và môi chất R134a ..................... 17
Bảng 3. 1: Thơng số trạng thái của chu trình tầng dưới môi chất CO2 ................... 22
Bảng 3. 2: Hệ số tỏa nhiệt CO2 (CO2) và khơng khí (KK). ................................... 27
Bảng 3. 3: Thông số dàn bay hơi ............................................................................ 27
Bảng 3. 4: Thơng số trạng thái của chu trình tầng dưới mơi chất R134a ............... 31
Bảng 3. 5: Thông số của bộ trao đổi nhiệt kênh micro ........................................... 35
Bảng 3. 6: Hệ số tỏa nhiệt của CO2 và hệ số tỏa nhiệt của R134a.......................... 40
Bảng 4. 1: Tổng hợp các dụng cụ đo và sai số ........................................................ 56
Bảng 5. 1: Thông số điểm nút tầng thấp CO2 ......................................................... 59
Bảng 5. 2: Thông số điểm nút tầng cao R134a ....................................................... 60
Bảng 5. 3: Thông số điểm nút tầng thấp CO2 ......................................................... 62
Bảng 5. 4: Thông số điểm nút tầng cao R134a ....................................................... 63
Bảng 5. 5: Bảng nhiệt độ và áp suất ngưng tụ và bay hơi....................................... 65
Bảng 5. 6: Bảng so sánh các thơng số tính tốn trong lý thuyết và thực tế ............ 66


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống làm lạnh đóng một vai trị quan trọng khơng thể thiếu trong đời sống
hiện nay, đặc biệt là trong các lĩnh vực như điều hịa khơng khí, bảo quản thực phẩm,
y tế,… Hơn thế nữa, xã hội hiện nay đang phát triển một cách nhanh chóng, tốc độ
đơ thị hóa ngày càng cao, khí CO2 và các khí độc hại thải ra mơi trường thải ra mơi
trường nhiều hơn mức bình thường, gây hiệu ứng nhà kính và phá hủy tầng ozone.
Vì vậy việc sử dụng các loại mơi chất có chỉ số GWP (Global Warming Potential)
và ODP (Ozone Depletion Potential) thấp đang được xem là đề tài phổ biến hiện nay
đối với nhiều nghiên cứu sinh. Trong đó, mơi chất CO2 là khí có sẵn trong tự nhiên
với chỉ số ODP = 0 và GWP = 1 và môi chất R134a với chỉ số ODP = 0, được sử
dụng khá phổ biến trong các ứng dụng làm lạnh trung bình và thấp.
Việc sử dụng các thiết bị trao đổi nhiệt có kênh trao đổi nhiệt nhỏ như thiết bị
trao đổi nhiệt kênh micro giúp mang lại hiệu quả trao đổi nhiệt cao hơn so với các
thiết bị trao đổi nhiệt truyền thống.
Kế thừa đề tài nghiên cứu hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 thống sử dụng
bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống, nhóm chúng em chọn đề tài thực nghiệm hệ thống
lạnh ghép tầng R134a/CO2 dùng các bộ trao đổi nhiệt compact nhằm để hiểu hơn về
hiệu quả của môi chất R134a và CO2, bộ trao đổi nhiệt dạng tấm micro và dàn bay
hơi mini. Từ đó đưa ra được tổng quan và đánh giá về việc sử dụng các bộ trao đổi
nhiệt compact trong máy lạnh ghép tầng.
1.2. Tình hình nghiên cứu
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Nghiên cứu về môi chất lạnh CO2, Bansal [1] đã tiến hành nghiên cứu về các
nguyên tắc cơ bản và ứng dụng môi chất lạnh CO2 trong các hệ thống làm lạnh sâu,
cùng với một số thảo luận về tính chất an tồn của nó, phân tích nhiệt động lực học,
những thách thức, nhu cầu về cơ bản đối với nghiên cứu và thiết kế các hệ thống
mới theo những ưu thế hiện có của nó trong ngành cơng nghiệp điện lạnh. Đặc biệt

trong ngành cơng nghiệp thực phẩm vì tính chất an tồn của nó là thân thiện với mơi
Trang 1


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung

trường và cạnh tranh về chi phí. Hệ thống tăng cường tới hạn trong điều kiện khí
hậu lạnh hơn và những tiềm năng của CO2 hệ thống lạnh phân tầng với một
hydrocarbon hoặc một HFC điều kiện khí hậu ấm hơn, dường như là sự lựa chọn
phổ biến. Gần đây các nghiên cứu trên hệ thống phân tầng cho thấy rằng những hệ
thống sử dụng CO2 làm môi chất, cho thấy CO2 là mơi chất lạnh có hiệu suất tốt hơn
60% so với hệ thống lạnh một cấp thông thường sử dụng R404A tại nhiệt độ thấp.
Lorentzen và Petterson [2] đã đánh giá khả năng sử dụng bộ trao đổi nhiệt trong
hệ thống trên tới hạn CO2. Hwang và cộng sự [3] 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 [4] thực hiện phân tích số của chu trình kép thay đổi tỷ số nén của
mỗi giai đoạn nén. Bhattacharyya và cộng sự[5] cho thấy một nghiên cứu tối ưu hóa
hệ thống ghép tầng CO2 / C3H8 để làm mát và sưởi ấm. [6] 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.
Gần đây, các nghiên cứu bao gồm một loạt các khả năng sử dụng CO2 làm chất
làm lạnh đã được công bố. Deng và cộng sự [7] 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 [8] đã xây dựng và thử
nghiệm hệ thống làm lạnh carbon dioxide hấp thụ nén ướt. Fernández-Seara và cộng
sự [9] 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 NH3 – 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 [10] 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 khơng 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 thơng số thiết
Trang 2


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung

kế và vận hành của hệ thống làm mát ghép tầng CO2 / 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 thơng 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.
Liên quan đến mơi chất R134a, Oh và Son [11] đã nghiên cứu thực nghiệm đặc
tính trao đổi nhiệt khi ngưng của R-22, R-134A và R-410A với mẫu ống đồng trịn
đường kính trong 1,77 mm, dài 160 mm. Thực nghiệm được thực hiện với các điều
kiện lưu lượng dòng chất 450 – 1050 kg/m2s, nhiệt độ bão hòa 40oC. Kết quả thực
nghiệm cho thấy hệ số truyền nhiệt ngưng tụ của R-410a cao hơn so với R-22 và R134a tại dòng chất xác định. Trong khi đó, hệ sộ truyền nhiệt ngưng tụ của R-22 có
giá trị tương tự như R-134a. Cũng bằng phương pháp thực nghiệm. On cùng các
cộng sự [12] đã khảo sát các đặc tính truyền nhiệt ngưng tụ của R134a chảy trong
một ống trịn và 3 ống đồng dẹt. Ống trịn có đường kính trong 3,51 mm, và các ống
dẹt được làm từ ống trịn với đường kính trong 3,51 mm. Các phạm vi thực nghiệm
bao gồm một mật độ khối lượng 350-900 kg /m2s, mật độ dòng nhiệt của 10- 50

kW/m2, áp suất bão hịa 8-12 bar. Biểu đồ mơ hình dịng chảy đã được khảo sát bằng
cách so sánh nó với bản đồ mơ hình dịng chảy hiện tại. Kết quả cho thấy rằng hệ số
truyền nhiệt ngưng tụ tăng khi gia tăng mật độ khối lượng, mật độ dòng nhiệt, và
lượng hơi. Azizi và cộng sự [13] cũng đã nghiên cứu hệ số truyền nhiệt đối lưu và
hệ số ma sát của môi chất nano đồng trong một thiết bị giải nhiệt kênh micro hình
chữ nhật có đường kính thủy lực 526 µm và chiều dài 50 mm. Nghiên cứu được thực
hiện cho mơi chất nano đồng có tỷ lượng theo khối lượng là 0.05%, 0.1 % và 0.3 %,
mật độ dịng nhiệt có 2 giá trị là 35 là 50 kW/m2, và lưu lượng được điều chỉnh trong
khoảng 0.5-2 lít/phút. Kết quả thực nghiệm cho thấy khi tỷ lượng theo khối lượng
phân tử nano tăng từ 0.05% đến 0.3% thì nhiệt trở giảm đến 21%. Sự có mặt của
phân tử nano làm tăng số Nusselt đến 43% trong khi hệ số ma sát tăng đến 45.5% so
với nước nguyên chất.
Trang 3


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung

Liên quan đến kênh micro, nghiên cứu về các loại hình dạng, kích thước khác
nhau của kênh cũng được các nhà nghiên cứu quan tâm. Lee cùng cộng sự [14] đã
thực nghiệm ảnh hưởng của vận tốc lưu chất di chuyển trong kênh micro khi thay
đổi hướng đặt kênh ngang, dọc, nghiêng. Kết quả đã chứng minh sự tồn tại một
ngưỡng vận tốc mà quá trình truyền nhiệt trong kênh giống nhau ở bất kể hướng nào.
Cũng bằng phương pháp thực nghiệm, Wang cùng cộng sự [15] đã thực hiện quá
trình truyền nhiệt ngưng tụ của hơi nước trên các ống micro dọc. Thực nghiệm được
thực nghiệm dưới vận tốc và áp suất hơi nước khác nhau, bao gồm 4 ống với các
đường kính khác nhau: 0.608 mm, 0.793 mm, 1.032 mm và 1.221 mm. Kết quả cho
thấy, khi độ chênh nhiệt độ giữa hơi và bề mặt tăng thì hệ số truyền nhiệt ngưng tụ
giảm đều. Sakanova và cộng sự [16] đã nghiên cứu việc cải tiến công suất truyền

nhiệt trong thiết bị tản nhiệt kênh micro bằng cách sử dụng hình dạng kênh gợn sóng
và các loại mơi chất nano. Kênh có kích thước rộng W = 85 µm, cao H = 700 µm và
dài L = 10 mm. 3 loại biên độ sóng 25 µm, 50 µm và 75 µm với 2 loại bước sóng
250 µm và 500 µm với lưu lượng thể tích từ 0.152 lít/phút đến 0.354 lít/phút được
khảo sát. 3 loại môi chất nano là: đồng- nước, oxit silic-nước và kim cương với nồng
độ thể tích từ 1% đến 5% được sử dụng. Kết quả cho thấy rằng năng suất truyền
nhiệt của kênh micro gợn sóng cao hơn nhiều so với kênh phẳng truyền thống khi
môi chất là nước. Tuy nhiên, khi thay nước bằng các môi chất nano thì ưu thế này
của kênh gợn sóng khơng còn đáng chú ý nữa. Liu và các cộng sự [17] đã nghiên
cứu quá trình truyền nhiệt và độ chênh áp trong suốt quá trình ngưng tụ của R-152A
trong kênh Micro trịn và vng bằng mơ hình thí nghiệm đường kính thủy lực của
kênh Micro trịn là 1,152 mm, nhiệt độ bão hòa là 40 và 50oC , với mật độ khối lượng
từ 200 – 800 kg/m2s và chất lượng hơi từ 0,1 – 0,9. Kết quả 4 nghiên cứu cho thấy,
hệ số truyền nhiệt và độ chênh áp tăng khi tăng lưu lượng chất, chất lượng dòng hơi
và giảm khi tăng nhiệt độ bão hòa.
Về nghiên cứu liên quan đến hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2, Sánchez
cùng với cộng sự [18] tiến hành nghiên cứu tác động của năng lượng đến hệ thống
lạnh ghép tầng gián tiếp HFC134a/CO2 trong các ứng dụng thương mại. Hệ thống
Trang 4


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung

lạnh được thử nghiệm ở điều kiện phịng thí nghiệm với nhiệt độ ngưng tụ lần lượt
là (25, 35 và 45ºC), dùng để bảo quản sản phẩm tươi (2ºC) và một sản phẩm đông
lạnh (-20ºC). Đánh giá năng lượng được thử nghiệm trong 24 giờ hoạt động ổn định
ở điều kiện thử nghiệm. Nhiệt độ bay hơi giảm từ 1,9 đến 3,50K của tầng trên đã
được đo khi sử dụng một hệ thống gián tiếp. Nó dẫn đến sự thay đổi mức tiêu thụ

năng lượng của toàn hệ thống trong khoảng từ 7.6 đến 14.0% khi sử dụng propyleneglycol/nước là chất tải lạnh.
Hơn thế nữa, Kock cùng với cộng sự [19] tiến hành đánh giá thử nghiệm nhà
máy lạnh ghép tầng R134a/CO2. Việc thử nghiệm kết hợp hai chu trình nén hơi bởi
hai máy nén nửa kín được ghép với nhau thơng qua một bộ trao đổi nhiệt dạng tấm
được hàn song song và được điều khiển bằng cách mở rộng van điện tử. Đánh giá
thử nghiệm (trạng thái ổn định) bao gồm nhiệt độ bay hơi từ - 40 đến - 300C và
ngưng tụ từ 30 đến 500C. Về hiệu suất năng lượng, cơng suất làm mát tuyến tính với
nhiệt độ ngưng tụ của chu trình nhiệt độ thấp và nó khơng bị ảnh hưởng nhiều với
sự thay đổi của nhiệt độ ngưng tụ ở chu trình nhiệt độ cao, nhưng sự thay đổi rất có
ý nghĩa khi điều chỉnh nhiệt độ bay hơi xuống thấp. Hệ số làm lạnh COP phụ thuộc
với nhiệt độ ngưng tụ của chu trình nhiệt độ thấp, hệ số làm lạnh COP tăng khi nhiệt
độ ngưng tụ giảm. COP đo được dao động từ 1,05 ở -40 và 400C đến 1,65 tại -30 và
300C. Hệ số làm lạnh COP giảm 18% khi nhiệt độ ngưng tụ tầng cao tăng 100C và
giảm 12% khi nhiệt độ bay hơi giảm 50C.
Về nghiên cứu liên quan đến hệ thống bơm nhiệt-ghép tầng. Gần đây, rất nhiều
nghiên cứu tối ưu hóa đã được thực hiện trên các hệ thống lạnh nén hơi một cấp và
nhiều cấp dựa trên các mô hình thuận nghịch, có thể thuận nghịch và khơng thuận
nghịch khác nhau với các hạn chế về thời gian và kích thước hữu hạn (Bejan, 1996;
Chen cùng các cộng sự., 1999; Durmayaz cùng các cộng sự. , 2004). Bejan (1989)
nhấn mạnh ảnh hưởng của nhiệt độ giữa các giai đoạn và độ dẫn bên trong trong
thiết kế tối ưu của hệ thống điện và làm lạnh. Chen và Wu (1996) đã sử dụng phương
trình Lagrange để tối ưu hóa kết hợp hai giai đoạn có thể đảo ngược hệ thống lạnh.
Chen và cộng sự. (2004) phát triển phân tích biểu thức để phân bổ tối ưu kho thiết
Trang 5


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung

bị trao đổi nhiệt cho các chu trình Carnot có thể thuận nghịch và không thuận nghịch
đối với thiết bị trao đổi nhiệt nhiệt độ không đổi và nhiệt độ thay đổi. Goktun (1999)
đã nghiên cứu ảnh hưởng của điện trở nhiệt và tính khơng thuận nghịch bên trong
đối với hiệu suất của một máy lạnh 2 cấp không thuận nghịch bên trong. Chen (1999)
đã kiểm tra thêm ảnh hưởng của sự rò rỉ nhiệt giữa các bể chứa nhiệt và sự tản nhiệt
bên trong giữa các chất lỏng làm việc đối với hiệu suất của hệ thống lạnh hai cấp
không thuận nghịch. Một nghiên cứu tương tự đã được báo cáo bởi Sahin cùng các
cộng sự. (2001) đối với tải làm lạnh tối đa trên mỗi đơn vị tổng chi phí. Hầu hết các
nghiên cứu này đều tập trung vào hệ thống làm lạnh nhiều cấp để tối đa hóa tải làm
mát hoặc sưởi ấm, và như vậy giữ lại các chu trình ghép tầng có tổng hàng tồn kho
tối thiểu chưa được tính.
Một trong những nghiên cứu phân tích đầu tiên được báo cáo bởi Bhattacharyya
cùng các cộng sự. (2007) được coi là một chu trình ghép tầng hai cấp để tối ưu hóa
nhiệt độ trung gian nhằm mang lại hiệu quả làm lạnh và exergy tối đa. Hơn nữa,
nhiệt độ bình chứa nhiệt được tối ưu hóa một cách độc lập. Các kết quả phân tích
này đã được xác nhận bởi một mơ hình số tồn diện của hệ thống ghép tầng CO2 trên
tới hạn –C3H8 cho thấy sự phù hợp tốt với nhiệt độ tối ưu dự đoán.
Nghiên cứu Về tối ưu máy lạnh ghép tầng, Getu và Bansal [20] 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 dưới
carbon 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 tăng 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.
Trang 6

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung

Hơn nữa, Ma cùng với hai cộng sự [21] 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 mơ hình dựa trên phương pháp NTU được phát triển bằng cách xem
xét các ràng buộc của tổng độ dẫn nhiệt. Mơ hình được phát triển sau đó được sử
dụng để kiểm tra ảnh hưởng của các thơng số chính trên các cấu hình hệ thống theo
điều kiện COP tối đa. Kết quả 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 [22] phân tích nâng cao exergy của hệ thống lạnh
ghép tầng CO2/NH3. Trong nghiên cứu hiện tại, một hệ thống lạnh ghép tầng
NH3/CO2 được mơ hình hóa và đánh giá. Sử dụng phần mềm (EES) cho mục đích
mơ phỏng. Để xác thực kết quả mô phỏng, giảm exergy và COP của mơ hình được
so sánh với dữ liệu thực nghiệm từ tài liệu. Kết quả phân tích nâng cao exergy cung
cấp một cái nhìn sâu sắc cho các kỹ sư nhiệt trong thiết kế hệ thống, phân tích và
đánh giá năng lượng hệ thống. Kết quả phân tích nâng cao exergy cho thấy rằng van
tiết lưu CO2, máy nén CO2 và bộ trao đổi nhiệt ghép tầng cần cải thiện trong khi
phân tích exergy thơng thường. Ngồi ra, kết quả phân tích nâng cao exergy cải thiện
hiệu quả hệ thống khoảng 42,13%.
Rezayan và Behbahaninia [23] tối ưu hóa nhiệt động và phân tích exergy được
áp dụng cho chu trình lạnh ghép tầng CO2/NH3. Năng suất làm mát, nhiệt độ môi

trường và nhiệt độ không gian làm lạnh là những hạn chế của q trình tối ưu hóa.
Bốn thơng số bao gồm nhiệt độ ngưng tụ của NH3, nhiệt độ bay hơi của CO2, nhiệt
độ ngưng tụ của CO2 và độ chênh nhiệt độ trong ngưng tụ ghép tầng được chọn làm
biến quyết định. Hàm mục tiêu là tổng chi phí hàng năm của hệ thống bao gồm chi
phí exergy đầu vào và chi phí vốn hàng năm của hệ thống. Exergy đầu vào của hệ
Trang 7


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung

thống là điện năng tiêu thụ của máy nén và quạt, và chi phí vốn mua linh kiện. Kết
quả là tối ưu hóa giá trị của các biến quyết định có thể được tìm thấy bằng cách thay
đổi chi phí exergy đầu vào và chi phí vốn. Kết quả phân tích exergy cho từng thành
phần hệ thống ở trạng thái tối ưu cũng được đưa ra.
Dopazo cùng với cộng sự [24] tiến hành phân tích lý thuyết hệ thống lạnh ghép
tầng CO2 - NH3 cho các ứng dụng làm mát ở nhiệt độ thấp. Trong bài báo này, một
hệ thống lạnh ghép tầng với CO2 và NH3 làm môi chất ở mức nhiệt độ thấp và cao.
Kết quả COP tăng 70% khi nhiệt độ bay hơi của CO2 thay đổi từ - 550C đến -300C
và COP giảm 45% khi nhiệt độ ngưng tụ NH3 tăng từ 25 đến 500C. Và phương pháp
phân tích exergy và tối ưu hóa năng lượng thu được giá trị tối ưu nhiệt độ ngưng tụ
CO2. Giá trị nhiệt độ ngưng tụ CO2 tối ưu tăng khi nhiệt độ bay hơi CO2 hoặc nhiệt
độ ngưng tụ NH3 tăng.
Lee và các cộng sự [25] đã tiến hành phân tích năng lượng và exergy của một
hệ thống làm lạnh ghép tầng R717 / R744 tiêu chuẩn và nhận thấy rằng ở nhiệt độ
ngưng tụ theo tầng là -15°C, nhiệt độ bay hơi -50°C và Δt = 5°C, COP tối đa có thể
đạt được là 1,15. Trong khi đó, Bingming và các cộng sự [26] so sánh bằng thực
nghiệm so sánh hiệu suất của hệ thống làm lạnh ghép tầng R717 / R744, hệ thống
R717 hai tầng và R717 một tầng, hệ thống có và khơng có bộ tiết kiệm economizer.

Kết quả chính từ nghiên cứu này là cấu hình ghép tầng cho hiệu suất tốt nhất ở nhiệt
độ bay hơi dưới -40°C. Dopazo và cộng sự. [27] về mặt lý thuyết đã xác định rằng
hệ thống làm lạnh ghép tầng R717 / R744 COP cải thiện khi nhiệt độ bay hơi R744
được tăng lên và nhiệt độ ngưng tụ R717 giảm. Rezayan và Behbahaninia [28] đã
nghiên cứu tối ưu hóa chi phí nhiệt của chu trình làm lạnh tầng R717 / R744. Nghiên
cứu của tác giả bao gồm các khía cạnh nhiệt và kinh tế của hệ thống thiết kế và vận
hành hệ thống. Dựa trên thiết kế đề xuất và hoạt động của hệ thống và cho công suất
làm mát khơng đổi là 40 kW, mức giảm chi phí hàng năm của hệ thống bằng 9,34%
so với thiết kế trường hợp cơ sở. Messineo [29] so sánh cấu hình hệ thống ghép tầng
R744 / R717 cơ bản với hệ thống hai tầng R404A dựa trên cấu hình tương tự điều
kiện hoạt động báo cáo hiệu suất tương tự. Phân tích thử nghiệm của hệ thống thác
Trang 8


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung

R717 / R744 cấu hình cho các ứng dụng làm lạnh siêu thị được trình bày bởi Sawalha
[30]. Chất làm lạnh R744 đã được sử dụng để làm mát nhiệt độ thấp và trung bình
tại coil DX các coil được ngập trong mơi chất. Sawalha kết luận rằng hiệu suất cho
giải pháp xếp tầng R717 / R744 cao hơn từ 50 đến 60% so với hệ thống R404a trực
tiếp được cài đặt trong cùng một mơi trường phịng thí nghiệm.
Agnew và Ameli [31] đã nghiên cứu một số hỗn hợp môi chất trong hệ thống
lạnh ghép tầng 3 cấp để làm giảm thiểu công suất tiêu thụ. Bingming và cộng sự [32]
đã khảo sát hiệu suất của hệ thống lạnh ghép tầng CO2/NH3 và hệ thống hai cấp NH3.
Nicola và cộng sự [33] đã nghiên cứu hiệu suất của CO2 trộn với một số mơi chất
trong chu trình lạnh ghép tầng. Gong và cộng sự [34] đã thử nghiệm hiệu suất của
môi chất lạnh R710 để làm lạnh ở nhiệt độ -800C. Sau đó, việc tối ưu hóa được tiến
hành để tăng hiệu suất exergy và giảm thiểu chi phí vận hành. Dopazo và cộng sự

[35] đã tối ưu hóa nhiệt độ ngưng tụ bằng cách sử dụng CO2 và NH3 làm môi chất
lạnh trong chu trình tầng thấp và chu trình tầng cao. Bhattacharyya và cộng sự [36]
đã tiến hành tối ưu hóa hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng C3H8/CO2. Lee và cộng sự
[37] đã chọn một số thông số gồm: nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ
chênh lệch trong bình ngưng tụ ghép tầng để tối ưu hệ thống về mặt kinh tễ lẫn chỉ
số exergy. Rezayan và Behbahaninia [38] đã tối ưu hóa nhiệt độ của thiết bị bay hơi,
thiết bị ngưng tụ và thiết bị ngưng tụ ghép tầng CO2/NH3 để giảm thiểu chi phí hằng
năm (vốn và chi phí hoạt động). Kết quả cho thấy với công suất làm mát không đổi
làm 40 kW, lựa chọn các thông số này sẽ làm giảm chi phí hằng năm của hệ thống
đi 9,34%.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
PGS.TS. Đặng Thành Trung [39] cùng các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu
thực nghiệm quá trình q lạnh của chu trình điều hịa khơng khí CO2 trên tới hạn
làm việc với thiết bị bay hơi kênh dẫn micro. Mơ hình sử dụng một máy nén CO2,
một bộ quá lạnh, một van tiết lưu nhiệt và một thiết bị bay hơi kênh micro. Trong
đó bộ quá lạnh có 2 bộ được gọi là S1, S2 với S2 có bề mặt truyền nhiệt gấp đơi của
S1. Qua nghiên cứu đã thu được kết quả với bộ quá lạnh S1, COP đạt được là 6,6 ở
Trang 9


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung

áp suất thiết bị bay hơi là 44 bar, bộ quá lạnh áp suất là 75 bar và nhiệt độ quá lạnh
là 28,6oC. Với bộ quá lạnh S2, COP là 7,2 ở áp suất bay hơi 44 bar, áp suất của bộ
quá lạnh là 75 bar và nhiệt độ quá lạnh là 26oC.
Ngoài ra, PGS.TS. Đặng Thành Trung [40] và cộng sự đã thực hiện nghiên cứu
thực nghiệm sự ngưng tụ của kênh micro nằm ngang sử dụng 2 thiết bị ngưng tụ
kênh micro gọi là M1 và M2 có chiều dài nền và kênh khác nhau. Với 10 kênh micro

ở trên và 10 kênh micro ở dưới sử dụng ống góp hình chữ nhật với chiều rộng 2,5mm
và độ sâu 500µm để kết nối các kênh với nhau. Độ giảm áp suất tăng lên khi tốc độ
khối lượng dòng hơi của hai thiết bị ngưng tụ kênh micro tăng lên. Ở thiết bị ngưng
tụ M1 có tốc độ khối lượng dịng hơi tăng lên từ 0,0264 g/s tới 0,0721 g/s khi độ
giảm áp suất tăng lên từ 1,257 Pa lên 11,181 Pa. Đối với thiết bị ngưng tụ M2, tốc
độ khối lượng dòng hơi tăng từ 0,0264 g/s lên 0,0572 g/s khi độ giảm áp suất tăng
lên 6,105Pa lên 45,216 Pa. Kết quả cho thấy, chiều dài của kênh càng dài, hiệu suất
sẽ càng giảm. Hiệu suất của kênh cũng sẽ giảm khi tăng tốc độ khối lượng dịng hơi.
PGS.TS. Hồng Ngọc Đồng [41] đã nghiên cứu ứng dụng máy lạnh ghép tầng trong
kỹ thuật bảo quản máu và các chế phẩm từ máu tại trung tâm huyết học truyền máu
Huế, để khắc phục việc vận chuyển nitơ lỏng.
Từ các tổng quan trên, các nghiên cứu và ứng dụng về hệ thống lạnh ghép tầng
R134a/CO2 và các bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn (compact) đã được công bố; tuy nhiên,
các dữ liệu khoa học như điểm nút nhiệt động, lưu lượng môi chất lạnh tuần hồn
trong hệ thống cịn khá ít thơng tin. Do vậy việc thực nghiệm hệ thống lạnh ghép
tầng R134a/CO2 dùng các bộ trao đổi nhiệt compact là hết sức cần thiết.
1.3. Mục tiêu đề tài
- Đưa ra được các kết quả tính tốn và thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng
R134a/CO2 dùng các bộ trao đổi nhiệt compact.
- Xác định được COP cho hệ thống ghép tầng này.
- Đánh giá hiệu quả của mơ hình hệ thống lạnh ghép tầng so với tính tốn lý
thuyết.

Trang 10


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung

1.4. Đối tượng và giới hạn đề tài
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
- Hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất lạnh R134a/R744 (CO2).
- Các thơng số nhiệt động của chu trình.

1.4.2. Giới hạn đề tài
Năng suất lạnh của hệ thống ở 2000W, nhiệt độ phịng lạnh – 20oC. Tầng thấp
dùng mơi chất CO2 và tầng cao dùng môi chất R134a. Điều kiện thực nghiệm tại
TP.Hồ Chí Minh. Các thiết bị trao đổi nhiệt compact gồm dàn lạnh ống mini và bộ
trao đổi nhiệt ghép tầng kênh micro.
Các thông số cần nghiên cứu bao gồm: áp suất và nhiệt độ tại các điểm nút của hệ
thống, công suất nhiệt, năng suất lạnh, công của máy nén, hệ số làm lạnh và chỉ số hiệu
quả năng lượng (COP) giữa tính tốn lý thuyết và thực nghiệm của hệ thống.

1.5. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
1.5.1. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan các nghiên cứu liên quan.
- Tính tốn lý thuyết chu chình.
- Thiết lập thực nghiệm.
- Thực nghiệm và đánh giá kết quả.
1.5.2. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tổng quan: Tổng hợp các bài báo nghiên cứu khoa học có liên quan,
từ đó xác định được mục tiêu nghiên cứu, được đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
- Phương pháp tính tốn: Sử dụng các dữ liệu ban đầu và có sẵn, tính tốn lý thuyết
các chu trình lạnh, tính chọn thiết bị. Từ đó làm cơ sở để đưa ra được mơ hình thực nghiệm
và tính tốn dựa trên các kết quả thực nghiệm thu được.
- Phương pháp thiết kế: Chọn thiết bị phù hợp, lắp đặt chế tạo dựa trên các thông số
tính tốn lý thuyết và vận hành.
- Phương pháp thực nghiệm: sau khi lắp đặt, cho hệ thống này vận hành, tiến hành
lấy dữ liệu và tính tốn.

- Phương pháp phân tích dữ liệu: Tính tốn và đánh giá khả năng hoạt động của hệ
thống dựa vào các giá trị thực nghiệm thu được.

Trang 11


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Cơ sở truyền nhiệt
Theo định luật bảo tồn năng lượng [42], năng lượng khơng tự sinh ra và khơng
tự mất đi, mà nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác. Nhiệt động lực học nghiên
cứu sự biến đổi năng lượng dưới dạng nhiệt năng thành các dạng năng lượng khác.
Nghiên cứu truyền nhiệt là nghiên cứu sự truyền nhiệt năng giữa các vật khác nhau
có nhiệt độ khác nhau, tìm ra nguyên do gây ra quá trình truyền nhiệt và dự đốn
mức độ trao đổi nhiệt.
Dịng nhiệt có xu hướng đi từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp, đồng
nghĩa với dịng nhiệt sẽ xảy ra thông qua sự chênh lệch nhiệt độ. Việc xác định sự
phân bố nhiệt độ sẽ giúp xác định được năng lượng truyền qua một đơn vị diện tích
ứng với một đơn vị thời gian.
Có 3 dạng truyền nhiệt cơ bản là dẫn nhiệt, trao đổi nhiệt đối lưu và trao đổi
nhiệt bức xạ.
Dẫn nhiệt: là quá trình truyền nhiệt năng từ chỗ có nhiệt độ cao sang chỗ có
nhiệt độ thấp dựa vào sự va chạm của các nguyên tử và phân tử hoặc sự truyền động
năng.
Trao đổi nhiệt đối lưu: là sự trao đổi nhiệt diễn ra khi có chất lỏng chảy qua bề
mặt của một vật rắn và có sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt vật rắn và chất lỏng
khi đó sẽ xảy ra quá trình trao đổi nhiệt đối lưu. Quá trình này xảy ra do hệ quả của

sự dịch chuyển tương đối giữa chất lỏng và bề mặt vật rắn, đồng thời do sự chênh
lệch nhiệt độ.
Trao đổi nhiệt bức xạ: là sự trao đổi nhiệt năng không tiếp xúc giữa 2 vật có
nhiệt độ khác nhau đặt cách xa nhau trong mơi trường hồn tồn chân khơng. Sự
trao đổi nhiệt diễn ra một phần.
2.2. Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm
Trong đời sống sinh hoạt xã hội hiện nay, nhu cầu đốt nóng hoặc làm mát một
chất rắn, lỏng hoặc khí nào đó là điều chúng ta luôn gặp phải. Do vậy người ta mới
nghiên cứu ra thiết bị gọi là thiết bị trao đổi nhiệt nhằm giải quyết nhu cầu trên.
Trang 12


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung

Trong hệ thống điều hịa khơng khí, các chất lỏng, chất khí này được gọi là môi chất
lạnh. Số lượng môi chất tham gia vào q trình trao đổi nhiệt có thể là hai hoặc nhiều
hơn. [43]
Ngày nay, các nhà khoa học đã khơng ngừng nghiên cứu các thiết bị trao đổi
nhiệt có hiệu suất cao và đáng tin cậy cho các hệ thống điều hịa khơng khí [44].
Trong đó, thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm được xem là một trong những thiết bị trao
đổi nhiệt mang lại hiệu quả khá tốt và đang dần được cải tiến để cho nó nhỏ gọn hơn
và vẫn đáp ứng được nhiều mục đích sử dụng khác nhau.
2.2.1. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm có cấu tạo gồm nhiều tấm kim loại được gia
cơng có các đường chuyển động của lưu chất, sau đó ghép lại để tạo nên thiết bị trao
đổi nhiệt. Trên mỗi tấm có khoan 4 lỗ lớn để dòng lưu chất hoạt động đi vào và ra
thiết bị. Trên mỗi tấm trao đổi nhiệt cịn có các gân, rãnh. [42] Cấu tạo của thiết bị
trao đổi nhiệt cơ bản như hình 2.1.

Hình 2. 1: Cấu trúc thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm [45]
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm như Hình 2.1 là loại dùng gioăng cao su để cố
định các tấm trao đổi nhiệt. Ngồi ra, cịn có loại tấm hàn như hình 2.2. Dịng lưu
chất nóng và dịng lưu chất lạnh chuyển động vào và ra thiết bị trao đổi nhiệt dạng
tấm như Hình 2.2.
Trang 13


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung

Hình 2. 2: Dịng chuyển động của lưu chất nóng (đỏ) và lạnh (xanh)
Các lưu chất lỏng nóng và lạnh chảy qua các rãnh của tấm và trao đổi nhiệt cho
nhau. Các tấm được đặt xen kẽ lẫn nhau. Một tấm có dịng mơi chất nhiệt độ cao
chuyển động, và một tấm có dịng mơi chất nhiệt độ thấp chuyển động. (Hình 2.2)
2.2.2. Ưu và nhược điểm
2.2.2.1. Ưu điểm
Đối với thiết bị trao đổi nhiệt loại gioăng cao su, có thể dễ dàng tháo lắp và
chùi rửa.
Hiệu quả năng lượng và khả năng truyền nhiệt cao.
Có thể điều chỉnh cơng suất.
Tiết kiệm chi phí đầu tư.
2.2.2.2. Nhược điểm
Các rãnh giữa các tấm có thể bị kẹt bởi cáu cặn bẩn.
Đối với loại tấm hàn, việc vệ sinh sẽ khó hơn vì khơng thể tháo ra được.
Phải sử dụng nguồn nhiệt lạnh khác mà khơng phải gió.
2.3. Máy lạnh ghép tầng
2.3.1. Ngun lí hoạt động

Máy lạnh ghép tầng bao gồm 2 chu trình máy lạnh độc lập tách rời, một chu
trình tầng nhiệt độ cao và một chu trình tầng nhiệt độ thấp. Mỗi chu trình có thể sử
dụng một loại mơi chất độc lập. Trong đề tài, tầng cao sử dụng môi chất R134a và
Trang 14


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung

tầng thấp sử dụng mơi chất CO2. Cả hai chu trình được kết nối với nhau bằng thiết
bị trao đổi nhiệt và trong bài nghiên cứu này nhóm chúng em sử dụng bộ trao đổi
nhiệt kênh micro. Thiết bị này vừa là thiết bị bay hơi của chu trình tầng cao R134a,
vừa là thiết bị ngưng tụ của chu trình tầng thấp CO2. Hình 2.3 mơ tả chu trình máy
lạnh ghép tầng dùng 2 chu trình máy lạnh 1 cấp.

Hình 2. 3: Sơ đồ ngun lí chu trình máy lạnh ghép tầng R134a/CO2
Ở tầng cao, hơi môi chất R134a được máy nén hút về nén đoạn nhiệt từ thành
hơi môi chất áp suất cao, nhiệt độ cao, sau đó đi vào thiết bị ngưng tụ, hơi môi chất
nhả nhiệt đẳng áp cho môi trường và ngưng tụ lại thành lỏng cao áp. Lỏng đi qua
van tiết lưu, tiết lưu đẳng enthalpy thành hơi môi chất áp suất thấp nhiệt độ thấp đi
vào bộ trao đổi nhiệt kênh micro trao đổi nhiệt với môi chất CO2 và hơi môi chất
tiếp tục được máy nén hút về và chu trình lặp lại.
Ở tầng thấp, hơi môi chất CO2 được máy nén hút về nén đoạn nhiệt thành hơi
môi chất áp suất cao, nhiệt độ cao, sau đó đi vào bộ trao đổi nhiệt kênh micro, hơi
môi chất nhả nhiệt đẳng áp cho hơi môi chất R134a và ngưng tụ lại thành lỏng cao
áp. Lỏng đi qua van tiết lưu, tiết lưu đẳng enthalpy thành hơi môi chất áp suất thấp
Trang 15

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung

nhiệt độ thấp đi vào thiết bị bay hơi và hơi môi chất tiếp tục được máy nén hút về và
chu trình lặp lại.
2.3.2. Đặc điểm chu trình máy lạnh ghép tầng
Do các chu trình máy lạnh ở các tầng vận hành độc lập với nhau nên có thể sử
dụng nhiều loại mơi chất cho mỗi tầng khác nhau.
Mỗi chu trình ở các tầng đều sử dụng đầy đủ các thiết bị như máy nén, thiết bị
ngưng tụ, thiết bị bay hơi và van tiết lưu.
Các trình tự tính tốn tương tự cho máy lạnh 1 cấp.
Điều kiện để máy lạnh ghép tầng làm việc ổn định là công suất lạnh của tầng
trên bằng nhiệt lượng ngưng tụ của tầng dưới khi bỏ qua các tổn thất nhiệt.
Ở mỗi tầng có thể sử dụng máy lạnh nhiều cấp.
Nếu 2 hệ thống lạnh gồm một hệ có nhiều cấp và 1 hệ có nhiều tầng (mỗi tầng
là 1 máy lạnh 1 cấp) thì máy lạnh ghép tầng đạt độ lạnh sâu hơn.
2.3.3. Ưu điểm và nhược điểm
2.3.3.1. Ưu điểm
Có thể đạt được nhiệt độ bay hơi xuống từ -40 tới -55oC.
Bởi vì hệ thống ghép tầng là hệ thống sử dụng 2 chu trình độc lập nên có thể
lựa chọn loại mơi chất có những đặc tính phù hợp cho mỗi tầng.
2.3.3.2. Nhược điểm
Các thông số của các tầng ảnh hưởng với nhau nên nếu có sự sai lệch thơng số
ở tầng nào đó, sẽ ảnh hưởng đến các tầng còn lại, dẫn đến cả chu trình sẽ bị ảnh
hưởng.
Thiết bị phức tạp hơn so với chu trình máy lạnh 1 cấp và 2 cấp.
Chi phí đầu tư cao.

Trang 16

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung

2.4. Môi chất lạnh CO2 (R744) và R134a
Bảng 2. 1: Bảng các đặc tính của mơi chất CO2 và mơi chất R134a
Các đặc tính

R744

R134a

Mơi chất tự nhiên

HFCs

Cacbon điơxít

Tetrafluoroethane

ODP

0

0

GWP

1

1300

Tính dễ cháy

Khơng

Khơng

Tính độc hại

Khơng

Khơng

Áp suất tới hạn (bar)

73,8

40,7

Nhiệt độ tới hạn (oC)

31,1

101,1

Nhóm
Tên gọi khác

2.4.1. Mơi chất lạnh CO2

Hình 2. 4: Sơ đồ chuyển pha theo áp suất nhiệt độ của CO2 [46]
Theo Bảng 2.1 và Hình 2.4, nhiệt độ và áp suất tới hạn của môi chất CO2 được
thể hiện lần lượt là 73.8 bar và 31.1oC và nhiệt độ, áp suất điểm dưới tới hạn tương
ứng là -56oC và 5,2 bar (Hình 2.5). Mơi chất lạnh CO2 là một mơi chất thuộc nhóm
mơi chất tự nhiên [49], có mức độ độc hại thấp và khơng dễ cháy, có chỉ số nóng lên
Trang 17


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung

toàn cầu thấp (GWP = 1) và gần như không gây tổn hại tới tầng ozone (ODP = 0).
[48].

Hình 2. 5: Biểu đồ áp suất – enthalpy của môi chất CO2 (R744) [47]
Trong các nghiên cứu hiện nay, máy lạnh ghép tầng sử dụng với môi chất CO2
ở tầng thấp được sử dụng phổ biến hiện nay bởi vì nhiều lợi ích đáng kể như độ dẫn
nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt ẩn hóa hơi, nhiệt dung riêng cao và độ nhớt động học
thấp. Thường hệ thống CO2 sẽ được sử dụng ở tầng thấp. Nếu ở tầng cao thì chu
trình CO2 sẽ trên tới hạn.
Ưu nhược điểm của môi chất CO2:
- Ưu điểm:
+ Năng suất làm lạnh cao.
+ Giá thành thấp và dễ dàng tìm kiếm.
- Nhược điểm:
+ Hệ thống CO2 có giá thành cao.

+ Các thiết bị trong hệ thống CO2 làm việc ở áp suất cao nên cần được kiểm
định thường xuyên.

Trang 18