Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2 đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt

Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i
TÓM TẮT....................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ..................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................ vii
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................... 1
1.1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................... 1
1.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nước ......................................................................... 2
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................................ 12
1.4. Mục tiêu đề tài ..................................................................................................... 13
1.5. Phương pháp thực hiện đề tài .............................................................................. 13
1.6. Giới hạn đề tài ..................................................................................................... 13
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 14
2.1. Cơ sở lý thuyết .................................................................................................... 14
2.1.1. Cơ sở truyền nhiệt ......................................................................................... 14
2.1.2. Dẫn nhiệt ....................................................................................................... 14
2.1.3. Trao đổi nhiệt đối lưu ................................................................................... 15
2.1.4. Trao đổi nhiệt bức xạ .................................................................................... 15
2.1.5. Giới thiệu chung về môi chất lạnh CO2 ........................................................ 15
2.1.5.1. Tính chất vật lý ....................................................................................... 15
2.1.5.2. Ưu, nhược điểm của CO2 ....................................................................... 17
2.1.5.3. Ứng dụng của CO2 trong công nghiệp lạnh ........................................... 17
2.1.5.4. Cơng thức tính tốn liên quan ................................................................ 17
2.2 Tính tốn lý thuyết ............................................................................................... 18

2.2.1. Tính tốn thiết bị ngưng tụ ........................................................................... 18
2.2.2. Tính tốn thiết bị bay hơi .............................................................................. 23
2.2.3. Tính tốn năng suất lạnh của hệ thống theo lý thuyết .................................. 30
CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM ............................................................... 31
3.1. Thiết kế mơ hình và hệ thống thực nghiệm ........................................................ 31
iii


Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

3.1.1. Thiết kế mô hình ........................................................................................... 31
3.1.2. Hệ thống thực nghiệm................................................................................... 32
3.2. Các thiết bị trong thực nghiệm ............................................................................ 34
3.2.1. Máy nén ........................................................................................................ 34
3.2.2 Thiết bị ngưng tụ giải nhiệt nước và gió ....................................................... 34
3.2.3. Van tiết lưu ................................................................................................... 35
3.2.4. Thiết bị bay hơi kênh mini ............................................................................ 36
3.2.5. Đồng hồ hiển thị áp suất ............................................................................... 36
3.2.6. Đồng hồ đo nhiệt độ ..................................................................................... 37
3.2.7. Thiết bị đo lưu lượng .................................................................................... 38
3.2.8. Biến tần ......................................................................................................... 39
3.2.9. Cảm biến áp suất ........................................................................................... 39
3.2.10. Lưu tốc kế ................................................................................................... 40
CHƯƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN .......................... 42
4.1. Quy trình thực nghiệm ........................................................................................ 42
4.2. Các kết quả thực nghiệm và tính tốn ................................................................. 43
4.2.1. Thơng số thực nghiệm thu được ................................................................... 43
4.2.2. Quy trình tính tốn ........................................................................................ 43

4.2.3. Tính tốn chu trình........................................................................................ 49
4.3 Nhận xét kết quả thực nghiệm ............................................................................. 50
4.4 Thực nghiệm hệ số tối ưu trong hệ thống lạnh CO2 ............................................ 51
4.4.1 Với vận tốc gió v = 1,78 m/s ở dàn lạnh........................................................ 51
4.4.2 Với vận tốc gió v = 2,88 m/s ở dàn lạnh........................................................ 56
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 61
5.1. Kết luận ............................................................................................................... 61
5.2. Kiến Nghị ............................................................................................................ 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 62
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 66

iv


Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Chữ Latinh
a: Hệ số khuếch tán nhiệt
A: Hệ số hấp Thụ
B: Chiều rộng, m
c: Nhiệt dung riêng khối lượng [J/kgK]
cp: Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp [J/kgK]
C: Hệ số bức xạ
dng: Đường kính ngồi của ống, [m]
dtr : Đường kính trong của ống, [m]
D: Hệ số xuyên qua
E: Khả năng bức xạ bán cầu

E: Khả năng bức xạ đơn sắt
F: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt m2
f: Diện tích tiết diện ngang
k: Hệ số truyền nhiệt
lc: Chiều dài của cánh, m
G: Lưu lượng khối lượng ( hoặc khối lượng)
p: Áp suất [bar]
q: Mật độ dịng nhiệt [W/m2]
Q: Dịng truyền nhiệt [W]
r: Nhiệt ẩn hóa hơi
t: Nhiệt độ bách phân [oC]
T: Nhiệt độ Kenvin [K]
v


Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

v: Thể tích riêng [m ]
3

V: Lưu lượng thể tích
Chữ Hy Lạp
α: Cường độ tỏa nhiệt đối lưu
β: Hệ số làm canh, hệ số dãn nở nhiệt
: độ nhớt động học của khơng khí, [m2/s]
δ: Độ dày cánh, [m]
ε: Độ đen
η: Hiệu suất, [%]

∆𝑡: Chênh lệch nhiệt độ, [oC]
𝜌: Khối lượng riêng, [kg/m3]
𝜇: Độ nhớt động lực học , [kg/ms]
𝜔: tốc độ dòng, [m/s]
𝜆: Hệ số dẫn nhiệt, [W/m2K]
Quy ước ký hiệu quốc tế
GWP: Chỉ số làm trái đất nóng lên của mơi chất.
HFC: Được xem là môi chất lạnh thế hệ thứ 3. Với các mơi chất lạnh gốc điển hình
như HFC134A (R134a), HFC410A (R410A).
COP: (Coeffcient Of Performance) Hệ số hiệu quả năng lượng.

vi


Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1.Đồ thị biểu diễn các mối tương quan ....................................................................... 11
.....................................................................................................................................................
Hình 2.1. Sơ đồ vùng chuyển pha R744.................................................................................. 16
Hình 2.2. Sơ đồ ngun lý hệ thống điều hịa khơng khí CO2 ................................................ 18
Hình 2.3. Chu trình điều hịa khơng khí của mơi chất lạnh R744 trên đồ thị p-h ................... 20
Hình 2.4. Quá trình trao đổi nhiệt ngưng tụ giữa nước và CO2 .............................................. 21
Hình 2.5. Đồ thị thể hiện sự liên hệ giữa đường kính thủy lực với hệ số truyền nhiệt ........... 27
Hình 2.6. Biến thiên nhiệt độ tại dàn bay hơi.......................................................................... 29
.....................................................................................................................................................
Hình 3.1. Dàn bay hơi kênh Mini ............................................................................................ 32

Hình 3.2. Sơ đồ thí nghiệm hệ thống ...................................................................................... 32
Hình 3.3. Thiết bị ngưng tụ thực nghiệm thực tế .................................................................... 33
Hình 3.4. Máy nén Dorin sử dụng trong nghiên cứu .............................................................. 34
Hình 3.5. Dàn ngưng tụ giải nhiệt nước và gió ....................................................................... 35
Hình 3.6. Van tiết lưu Danfoss ................................................................................................ 35
Hình 3.7. Dàn bay hơi kênh mini ............................................................................................ 36
Hình 3.8. Đồng hồ cảm biến áp suất ....................................................................................... 37
Hình 3.9. Thiết bị đo nhiệt độ thường có dầu dị DS-1 ........................................................... 37
Hình 3.10. Đồng hồ hiển thị nhiệt độ Extech .......................................................................... 38
Hình 3.11. Cảm biến lưu lượng Turbine Flow Meter DGTT-015S ........................................ 38
Hình 3.12. Biến tần sử dụng trong điều khiển tốc độ quạt, bơm ............................................ 39
Hình 3.13. Cảm biến áp suất thực tế ....................................................................................... 40
Hình 3.14. Bộ hiển thị áp suất được kết nối với cảm biến áp suất .......................................... 40
Hình 3.15. Lưu tốc kế AVM-03 .............................................................................................. 41
.....................................................................................................................................................
Hình 4.1. Đồ thị p-h tại giá trị nhiệt độ môi trường 34.5oC ................................................... 45
Hình 4.2. Đồ thị biểu thị sự thay đổi nhiệt độ mơi trường theo thời gian ............................... 48
Hình 4.3.Đồ thị biểu thị sự thay đổi COP theo thời gian ........................................................ 48
Hình 4.4. Đồ thị biểu thị sự thay đổi năng suất lạnh Q0 theo thời gian .................................. 49
Hình 4.5. Đồ thị biểu diễn a và b theo Pk. .............................................................................. 51
Hình 4.6. Đồ thị biểu diễn Po và a theo Pk. ............................................................................ 52
Hình 4.7. Đồ thị biểu diễn tp và P theo tttl.............................................................................. 53
Hình 4.8. Đồ thị biểu diễn tp và tttl theo tmt. ......................................................................... 54
Hình 4.9. Đồ thị biểu diễn a và b theo Po. .............................................................................. 55
Hình 4.10. Đồ thị biểu diễn a và b theo Pk. ............................................................................ 56
Hình 4.11. Đồ thị biểu diễn Po và a theo Pk. .......................................................................... 57
Hình 4.12. Đồ thị biểu diễn tp và P theo tttl............................................................................ 58
Hình 4.13. Đồ thị biểu diễn tp và tttl theo tmt. ....................................................................... 59
Hình 4.14. Đồ thị biểu diễn a và b theo Po. ............................................................................ 60
vii

Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Các GWP của môi chất lạnh gốc HCFC ................................................................. 10
.....................................................................................................................................................
Bảng 2.1. Thơng số lý thuyết chu trình điều hịa khơng khí CO2 ........................................... 19
.....................................................................................................................................................
Bảng 3.1. Thơng số kỹ thuật dàn bay hơi Mini ....................................................................... 31
.....................................................................................................................................................
Bảng 4.1. Bảng thông số thực nghiệm ngày 31-05-2020 ........................................................ 43
Bảng 4.2. Điểm nút của giá trị nhiệt độ t= 34.5oC .................................................................. 44
Bảng 4.3. Bảng điểm nút đồ thị P-h ........................................................................................ 45
Bảng 4.4. Bảng thông số nhiệt động tại các điểm nút của chu trình ....................................... 47
Bảng 4.5. Bảng so sánh kết quả tính tốn lý thuyết và thực nghiệm ...................................... 50
.....................................................................................................................................................
Bảng 5.1. Tính chất vật lý của CO2 ở thể lỏng và hơi trên đường bão hòa ............................ 66

viii


Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Lý do chọn đề tài
Trong giai đoạn phát triển kinh kế và cơng nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, tiết
kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường là vấn đề cấp thiết của xã hội được đông đảo
mọi người quan tâm, đặc biệt là những nhà nghiên cứu khoa học. Trong đó, ngành
cơng nghiệp nhiệt lạnh là một trong những ngành tiêu tốn năng lượng nhiều nhất với
các hệ thống nóng, lạnh như điều hịa khơng khí của các tòa nhà, khu chung cư, trường
học, trung tâm thương mại, cũng như trong các nhà máy, xí nghiệp phục vụ nhu cầu
nóng lạnh sâu như đơng lạnh hải sản, trữ đông, sản xuất bánh kẹo, sấy gỗ, cà phê,... Sử
dụng những thiết thị trao đổi nhiệt từ loại nhỏ gọn treo tường đến những thiết bị trao
đổi nhiệt lớn trong các nhà máy nhiệt điện.
Mơi chất lạnh hay cịn gọi là gas lạnh là chất tuần hoàn trong hệ thống lạnh làm
nhiệm vụ hấp thụ nhiệt của buồng lạnh nhờ bốc hơi ở áp suất thấp nhiệt độ thấp và thải
nhiệt ra môi trường ở áp suất cao và nhiệt độ cao. Môi chất lạnh lý tưởng là môi chất
lạnh không gây nguy hiểm cho con người, không độc hại mơi trường, khơng cháy nộ,
dễ dàng phát hiện khi rị rỉ,... Hiện nay, các nhà khoa học vẫn chưa thể tìm ra được ga
lạnh lý tưởng, chúng ta chỉ có thể tìm được ga lạnh, có ưu điểm và cả nhược điểm. Bởi
vậy khi chọn một ga lạnh cho một ứng dụng cụ thể, cần lựa chọn sao cho ga lạnh phát
huy được những ưu điểm và hạn chế những nhược điểm của nó. Và đó cũng là tiền đề
để ga lạnh CO2 ra đời. Ga lạnh CO2 là ga lạnh khơng mùi, có sẵn trong từ nhiên nên
thân thiện với con người. Về vấn đề thân thiện môi trường ta có thể lấy GWP của khí
CO2 tác động trong thời hạn 100 năm được lấy làm mốc để so sánh, GWP CO2 = 1 thì
của các HFC đạt tới hàng nghìn như HFC134a là 1.600, HFC410A là 2.340.
Nắm bắt được xu hướng đó các nhà khoa học đã khơng ngừng nghiên cứu các giải
pháp nhằm nâng cao chất lượng thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng môi chất lạnh mới theo
nhiều hướng khác nhau. Trong đó, một hướng nghiên cứu mới là sử dụng thiết bị bay
hơi kênh mini và sử dụng CO2 làm môi chất lạnh để thay thế cho các loại môi chất
lạnh họ Flourocarbon hiện nay. Vệc sử dụng thiết bị bay hơi ống mini đã thu nhỏ được
kích thước thiết bị mà vẫn có hiệu quả tốt, mật độ truyền nhiệt cao, chi phí chế tạo, lắp
đặt hợp lý. Đồng thời, khi CO2 được sử dụng phổ biến trong hệ thống lạnh thay cho
các môi chất lạnh hiện nay thì lượng Flourocarbon sẽ giảm và lượng CO2 bên ngồi

mơi trường sẽ giảm đi.
1


Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

Nhằm góp phần cho những giải pháp này, nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài
“Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định năng suất lạnh của hệ thống điều hịa
khơng khí CO2” để đáp ứng xu thế hiện nay.
1.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Liên quan tới đề tài thì đã có nhiều cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước về
lĩnh vực môi chất CO2 cũng như dàn lạnh kênh mini. Các q trình nghiên cứu, thực
nghiệm đã đóng góp tích cực cho khoa học với hi vọng nghiên cứu ra một môi chất
thân thiện với con người và môi trường cũng như hiệu suất làm việc tốt nhất. Dưới đây
là một số bài báo liên quan nhóm đã tìm hiểu để làm cơ sở thực hiện đề tài.
Gupta và Dasgupta [1] đã phân tích về hệ thống lạnh CO2 trong môi trường ở Ấn Độ
và những thử thách liên quan tới nó. Một mơ hình tốn học của bộ làm mát khí đã
được phát triển cho tồn bộ hệ thống lạnh CO2. Hiệu suất của hệ thống lạnh CO2 đã
được phân tích ở các điều kiện vận hành khác nhau (theo 3 vùng ở Ấn Độ) bao gồm cả
công suất quạt. Dựa trên các kết quả, đã có một số kết luận sau: Cơng suất của quạt có
ảnh hưởng đáng kể đến COP được ứng dụng ở vùng có nhiệt độ cao, như Ấn Độ. Công
suất quạt bị thay đổi chủ yếu với vận tốc khơng khí và khơng bị ảnh hưởng đáng kể
bởi sự thay đổi về số lượng và cách sắp xếp của bộ làm mát khí. COP của hệ thống cải
thiện 5% tới 10% bằng cách giữ vận tốc khơng khí trong phạm vi tối ưu. Trong phạm
vi phân tích, vận tốc khơng khí từ 1 tới 2 m/s được được cho là tối ưu. Việc lựa chọn
thiết kế máy nén chuyên dụng cho từng vùng nhiệt độ rất là quan trọng. Nó cho thấy
hiệu suất nén đoạn nhiệt tăng lên 10% tức là từ 60% tới 70%, hệ số COP tăng lên 33%.
Ngoài ra, bài báo cịn nhắc lại về sự quan trọng của mơi chất CO2 trong việc thiết kế

các hệ thống một cách tôi ưu trong các môi trường khác nhau.
Bansal [2] đã thực nghiệm thành công môi chất lạnh Carbon dioxide (CO2) xem như
là một trong những môi chất làm lạnh tiềm năng để sử dụng cho các hệ thống làm lạnh
sâu trong ngành thực phẩm và lạnh công nghiệp và hoặc hoạt động giải trí. Hiện nay,
CO2 đã chứng tỏ được sự nổi trội về tính thương mại khi CO2 có một số thiết kế khá
phổ biến như là hệ thống lạnh ghép tầng, hệ thống lạnh siêu tới hạn. Ngoài ra cịn có
nhiều mẫu thiết kế và một vài biến thể để sử dụng trong một số trường hợp cụ thể. Bài
báo này cho ta thấy tất cả về các nguyên tắc cở bản và ứng dụng của môi chất lạnh
CO2 trong các hệ thống làm lạnh sâu. Đồng thời, cịn có một vài thảo luận về việc phân

2


Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

tích nhiệt động lực học, sự vơ hại của nó tới con người cũng như là những thách thức,
khả năng thực hiện cho các nghiên cứu và thiết kế mới.
Ge

[3]

đã tiến hành thiết kế 2 bộ làm mát khí CO2 với kết cấu khác nhau và kết nối

chúng vào một thiết bị thử nghiệm của một hệ thống lạnh CO2. Thơng qua đó, có thể
thấy hiệu suất của 2 bộ làm mát này thông qua các buổi thử nghiệm. Các mẫu của bộ
làm mát khí CO2 được thiết kế theo 2 kiểu là mơ hình phân tán (mơ hình chi tiết) và
mơ hình tập trung (mơ hình đơn giản). Mơ hình thứ nhất được sử dụng để đưa ra dự
đoán chi tiết về các cấu hình nhiệt độ chất lỏng hoạt động, tốc độ truyền nhiệt cục bộ

và các ảnh hưởng của việc xắp sếp mạch ống. Hơn nữa, tốc độ quạt có thể được sử
dụng để điều chỉnh và kiểm soát sự quá lạnh và độ chênh lệch nhiệt độ của bộ làm mát
khí. Tuy nhiên, nếu kích thước bộ trao đổi nhiệt, thì quạt tốc độ cao sẽ là một lựa chọn
hợp lí. Ngồi ra, kết quả mơ phỏng cho thấy rằng sự thay đổi tý lệ khơng khí là cách
làm hiệu quả nhất để kiểm soát và giảm thiểu độ chênh lệch nhiệt độ của bộ làm mát
khí mặc dù tỷ lệ giảm là khơng nhiều.
Parrocha

[4]

cùng các cộng sự của mình đã đề xuất một chiến lược kiểm soát và

tối ưu hóa thời gian thực theo mơ hình thực tế cho các nhà máy lạnh sản xuất CO2 đảm
bảo bao gồm nhu cầu làm mát và theo dõi liên tục các điều kiện để đạt hiệu quả tối đa.
Cách tiếp cận của chúng tôi thu được phản hồi chỉ với ba phép đo và kiểm soát mức
mở của van nén và tốc độ của máy nén. Chiến lược giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng
của máy nén thay vì tối đa hóa hệ số hiệu suất, tránh một số cảm biến, và chúng tơi
chứng minh bằng tốn học rằng cả hai phương pháp đều tương đương nhau. Họ đã
chứng minh rằng tối đa hóa COP cho CO2 từ các nhà máy siêu tới hạn hoạt động với
tải nhiệt không đổi tương đương với việc giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng trong máy
nén, do đó hỗ trợ thuật tốn điều khiển tốn học. Đề xuất này có thể áp dụng cho bất
kỳ CO2 siêu tới hạn từ nhà máy lạnh hiển một số thông số chung.
Jeong cùng các đồng nghiệp [5] đã nghiên cứu ứng dụng điều hịa khơng khí vào giải
nhiệt thiết bị công nghệ thông tin và truyền thông (ICT). Các cơ sở ICT đã phát triển
nhanh chóng. Đồng thời, nhiệt sinh ra trên một đơn vị diện tích của một trung tâm dữ
liệu, nơi các máy chủ và bộ định tuyến được tập trung trong một cơ sở ICT là một vấn
đề cực kỳ nghiêm trọng. Do đó, nghiên cứu này nhằm mục đích nghiên cứu hiệu suất
và đặc điểm của hệ thống trao đổi nhiệt làm mát tại chỗ của máy chủ, sử dụng CO2
như là một chất làm việc để ngăn chặn sự xuất hiện của các điểm nóng và giảm điện
3

Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

năng tiêu thụ của một hệ thống điều hịa khơng khí thơng thường. Hệ thống điều hịa
khơng khí này được lắp đặt tại trung tâm dữ liệu với những cuộc thí nghiệm và mơ
phỏng. Kết quả là: Đối với tốc độ dòng truyền nhiệt, các kết quả thử nghiệm và mô
phỏng nằm trong phạm vi sai số ± 5% ở trạng thái hai pha.
Pettersent cùng các cộng sự [6] đã nghiên cứu bộ trao đổi nhiệt cho các hệ thống điều
hịa khơng khí của các phương tiện giao thông và cho một số loại thiết bị lạnh dân
dụng đơn thuần. Sử dụng chất làm lạnh tự nhiên cao áp CO2 hiện đang được đánh giá
để sử dụng trong các ứng dụng như vậy, và các bộ trao đổi nhiệt hiệu quả đang được
phát triển và điều tra. Bộ trao đổi nhiệt carbon dioxide được thiết kế cho dịng chất làm
lạnh có khối lượng cao và sử dụng các ống có đường kính nhỏ hoặc các ống vi kênh
fiat được ép đùn. Hệ số truyền nhiệt của môi chất lạnh cao hơn so với fluorocarbons,
và do đó giảm diện tích bề mặt bên trong có thể được dung thứ. Cả hai bộ trao đổi
nhiệt ống trịn mở rộng bằng ống kính nhỏ và các đơn vị loại vi kênh được hàn đã
được xây dựng và thử nghiệm thành công. Kết quả cho thấy các bộ trao đổi nhiệt của
mơi chất CO2 rất nhỏ gọn có tính cạnh tranh với dịng HFC / HCFC ban đầu về kích
thước vật lý, khối lượng trao đổi và hiệu suất nhiệt. Kích thước ống nhỏ hơn và đa
dạng có thể giảm kích thước so với thiết bị HFC-134a.
Yun cùng cộng sự

[7]

đã phân tích số học cho thiết bị bay hơi được thiết kế cho hệ

thống điều hịa khơng khí dùng môi chất là CO2. Các nhà nghiên cứu đã phân tích số

học một thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro bằng phương pháp thể tích hữu hạn. Dựa
trên sự so sánh về hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt kênh mini và thiết bị trao đổi
nhiệt dạng ống có cánh được thiết kế dùng mơi chất là CO2, các nhà nghiên cứu đã đề
xuất sự sắp xếp của các khốivà vận tốc khơng khíđầu vào trong bộ trao đổi nhiệt kênh
mini cần phải tối ưu bằng cách xem xét kích thước thiết bị trao đổi nhiệt, điều kiện
khơng khí đầu ra vàcơng suất u cầu.
Kau

[8]

cùng cộng sự đã xác định cao áp của một chu trình lạnh - lạnh siêu tới hạn

được thực hiện với phương pháp đồ họa. Nếu các điều kiện vận hành khác nhau có để
được xem xét, việc sử dụng một chức năng điều khiển hữu ích. Áp dụng mơ hình mơ
phỏng trạng thái ổn định như trình bày ở đây dẫn đến một phương trình điều khiển đơn
giản, áp suất cao tối ưu của một CO2 quá hạn tới chu trình làm lạnh, với điều kiện là
thông tin cho nhiệt trao đổi và máy nén, như được đưa ra trong ví dụ của bài báo này

4


Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

có sẵn. Bởi vì áp suất cao không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh,
việc sử dụng tất cả hàm điều khiển gần đúng dẫn đến COP sẽ thấp hơn.
Gulloa

[9]

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 mơi 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 cịn 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. Với những hiệu quả về mặt năng
lượng trong bất kỳ môi trường khí hậu ở Châu Âu, mơi chất R774 đã chứng mình về
những tiềm năng của bản thân trong ngành cơng nghiệp lạnh.
Baheta

[10]

cùng các cộng sự của mình đã tiến hành nghiên cứu hiệu suất của chu

trình làm lạnh nén CO2 siêu tới hạn cho các thông số khác nhau và đánh giá COP của
nó. Để đạt được điều đó, một chu trình làm lạnh được mơ hình hóa bằng các khái niệm
nhiệt động lực học. Sau đó, mơ hình được mô phỏng cho các thông số khác nhau được
điều khiển để điều tra hiệu suất chu trình. Duy trì các thông số vận hành khác liên tục
COP cao nhất là 3,24 ở áp suất làm mát khí 10 MPa. Nó cũng đã được quan sát thấy
rằng chu trình phù hợp cho ứng dụng điều hịa khơng khí hơn chu trình làm lạnh, khi
COP tăng khi nhiệt độ thiết bị bay hơi tăng lên. Mơ phỏng được thực hiện bằng
chương trình phát triển EXCEL. Các kết quả có thể được sử dụng trong thiết kế chu
trình làm lạnh CO2.

Nguyen B. Chien [11] các cộng sự của mình đã chứng minh thành cơng hệ số truyền
nhiệt hai phacủa dịng sơi của R32 (difluoromethane), CO2 (carbon dioxide) và R290
(propan) trong minichannel. Dữ liệu thực nghiệm được tiến hành trong các ống thép
không gỉ nằm ngang với đường kính trong là 1,5mm. Các điều kiện thử nghiệm được
thực hiện với nhiệt độ bão hòa được cố định ở 10ºC, thông lượng nhiệt là 10kW/m2
trong khi thông lượng khối lượng thay đổi từ 150 đến 500 kg/m2. Xu hướng này minh
họa rằng thông lượng khối lượng có tác dụng nhỏ trên hệ số truyền nhiệt của cả R32
5


Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

và R290 nhưng ảnh hưởng mạnh mẽ của thông lượng khối lượng trên hệ số truyền
nhiệt của CO2 đã được quan sát. Hệ số truyền nhiệt của CO2 tăng cùng với sự gia tăng
của thông lượng khối lượng. Thông lượng khối lượng liên tục được giữ ở mức 400
kg/m2 và 300 kg/m2 cho R32 và R290, tương ứng, trong khi dòng nhiệt thay đổi từ 10
đến 15 kW/m2. Dữ liệu cho thấy hệ số truyền nhiệt bị ảnh hưởng mạnh bởi dòng nhiệt.
Kết quả cho thấy sự gia tăng hệ số truyền nhiệt của ba chất làm lạnh R290, CO2 và
R32 tỷ lê thuận cùng với sự gia tăng của thông lượng nhiệt.
Byrne [12] cùng cộng sự đã thiết kế bơm nhiệt đồng thời sưởi ấm và làm mát đã với
mục đích sưởi ấm và làm mát nhà ở sang trọng, khách sạn và các tịa nhà văn phịng.
Chi phí vận hành và hiệu ứng nhà kính có thể giảm đi bằng cách sử dụng cùng một
năng lượng điện để sản xuất nước nóng và lạnh cùng một lúc. Đồng thời giảm tổn thất
hiệu suất của máy bơm nhiệt khơng khí trong nước dưới nhiệt độ môi trường xung
quanh thấp và đặc biệt là trong q trình rã đơng bằng cách ln phiên giữa thiết bị
bay hơi khơng khí và thiết bị bay hơi nước. HPS đã được thiết kế cho HFC và CO2.
Các kết quả thu được cho máy nén hiệu quả cao và bộ trao đổi nhiệt hoàn hảo và được
liên kết chặt chẽ với các giả định này. Chuỗi mùa đông luân phiên cung cấp một giải

pháp mới cho rã đông. Đặc biệt, nó làm tăng hiệu suất trung bình trong sưởi ấm, và
tăng thêm với công suất làm mát cao có sẵn với CO2. CO2 HPS hoạt động tốt hơn bơm
nhiệt tiêu chuẩn HFC theo định luật COP đầu tiên và tiêu thụ điện hàng năm và điều
này mở ra cánh cửa cho carbon dioxide như một chất lỏng làm việc cho các ứng dụng
sưởi ấm không gian.
Tsamos cùng các cộng sự

[13]

đã nghiên cứu mơ hình tốn học được phát triển dựa

trên nền tảng giải quyết các phương trình kỹ thuật (EES), và nó đã được xác nhận với
các kết quả thử nghiệm thu được từ thiết bị thực nghiệm tại trung tâm quốc gia. Mơ
hình này được nghiên cứu về việc thiết kế hai dàn làm mát khí khác nhau. Chúng được
lắp đặt riêng biệt và được tích hợp với mơ hình hệ thống làm lạnh CO2 để nghiên cứu
ảnh hưởng của thiết kế làm mát khí vào hệ thống COP. Mơ hình có thể dự đốn các dữ
liệu nhiệt độ của môi chất lạnh, sự giảm áp suất qua bộ làm mát khí, khơng khí và hệ
số trao đổi nhiệt và nhiệt thải. Mơ hình hệ thống làm lạnh tích hợp đã được phê chuẩn
có thể được sử dụng để tính tốn COP của hệ thống. Sai số trung bình giữa các giá trị
thử nghiệm và mơ phỏng được tìm thấy là 7%.

6


Đồ Án Tốt Nghiệp
Santosa

[14]

PSG.TS Đặng Thành Trung

cùng đồng nghiệp đã khảo sát các hệ số truyền nhiệt và môi chất làm

lạnh thông thường trong các ống xoắn bằng cách sử dụng Mơ hình Động lực học Tính
tốn (Computational Fluid Dynamics - CFD). Kết quả từ mơ hình đã được so sánh với
các phép đo thực nghiệm cho thấy một khe ngang trên cánh giữa hàng đầu và hàng thứ
hai của ống dẫn có thể làm cải thiện tỷ lệ nhiệt thải của thiết bị làm mát từ 6% đến 8%.
Điều này có thể dẫn đến áp suất của bộ làm mát khí sẽ thấp hơn, hiệu suất hệ thống
làm lạnh cao hơn và diện tích dàn trao đổi nhiệt sẽ nhỏ gọn hơn. Hệ số truyền nhiệt đã
được nghiên cứu cho các phân đoạn khác nhau của bộ làm mát khí, nó cho thấy xu
hướng trong sự thay đổi của hệ thống truyền nhiệt.
Marcinichen cùng các đồng nghiệp

[15]

đã nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện

hiệu suất của bộ làm mát khí CO2. Với mục tiêu chính là giảm thể tích của mật độ chất
lỏng trong bộ làm mát khí. Để đạt được điều đó, các tác giả đã tìm các phương pháp,
tài liệu về chu trình làm lạnh CO2 và lập ra một chu trình mơ phỏng rất chi tiết. Sau khi
giải quyết về các ảnh hưởng của kích thước ống, lưu lượng thể tích khơng khí, nồng độ
dầu hỗn hợp… Kết quả cho thấy rằng, thể tích và lượng mơi chất lạnh được nạp vào đã
giảm ít nhất 14%. Điều đó cho thấy rằng, hệ thống làm lạnh có thể trở nên nhỏ gọn
hơn và nhẹ hơn về trọng lượng. Các mơ phỏng với dầu cho thấy có tới 6% ảnh hưởng
bất lợi đến kích thước của bộ làm mát khí và giảm áp suất CO2 của nó tăng lên đến
2,65 lần khi nồng độ dầu lên tới 3%.
Jadhav cùng các cộng sự

[16]

đã nghiên cứu về các đặc tính dịng chảy của các ống

mao cho chất làm lạnh R744. Lấy kết quả của mười sáu mơ hình có hệ số ma sát khác
nhau so sánh với các kết quả sẵn có. Ta lập được biểu đồ dự đốn tốc độ dịng chảy
của mơi chất lạnh R744 Kết quả này được so sánh với kết quả của Wang và cộng sự
dựa trên sai số trung bình, được tính cho các trạng thái khác nhau. Người ta nhận thấy
sai số bình quân trung bình nằm trong khoảng giới hạn chấp nhận được, tương ứng là
2,2% và 5,7% đối với R744 với mơ hình theo hệ số ma sát của Schmidt và Mori và
Nakayama. Đề xuất cho thấy các mơ hình theo hệ số ma sát của Mori và Nakayama và
Schmidt là phù hợp nhất cho việc dự báo tốc độ lưu lượng khối lượng của ống mao với
các điều kiện hoạt động đã chọn cho mơi chất R744. Mơ hình hiện tại có thể được sử
dụng để thiết kế các ống mao làm việc với chất làm lạnh CO2.
Li cùng cộng sự

[17]

đã nghiên cứu chế tạo bộ làm mát kênh micro kiểu cánh sử

dụng mơi chất CO2 cho điều hịa khơng khí ơ tơ. Cơng suất nhiệt đo được cho bộ làm
7


Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

mát khí dao động từ 1 đến 6 kW. Ảnh hưởng của nhiệt độ và vận tốc khơng khí đầu
vào khác nhau, tốc độ dịng chảy của mơi chất lạnh và áp suất vận hành được nghiên
cứu để hiểu rõ hơn về cách các thông số này ảnh hưởng đến hiệu suất làm mát khí
CO2. Một mơ hình được phát triển để mơ phỏng thiết bị làm mát. Mơ hình dự đốn khả

năng chịu nhiệt của bộ làm mát khí trong vịng 5% và chênh lệch áp suất mơi chất lạnh
trong vịng 8% lệch so với dữ liệu thực nghiệm. Mơ hình đã được xác nhận đã được sử
dụng để phân tích tác động của hình học cánh và phân phối khơng khí khơng đồng đều
sẽ ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt. Dựa trên mơ hình đã được
xác nhận, tác động của hình học cánh và hiệu suất của việc phân phối khí đã được
đánh giá.
Khanam

[18]

cùng các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu phát triển dự án máy

nước nóng bơm nhiệt CO2 trong bối cảnh thế giới sẽ giảm HCFC 99,5% vào năm 2020
và cập nhật DOE vào năm 2021. Việc tìm kiếm các sản phẩm năng lượng thân thiện sẽ
làm giảm việc chi trả hóa đơn tiền điện cho những hộ gia đình, tiết kiệm hàng
kilowatt-giờ phát điện, và giảm thiểu lượng khí thải carbon, gây ra sự đổi mới của
nhiều công nghệ tiết kiệm năng lượng. Lộ trình đã đưa ra một số thơng tin chi tiết thú
vị. Các dự án được thực hiện để nâng cao hiệu quả của các thành phần và công nghệ
thiết bị. Thử nghiệm rộng rãi và đo lường các sáng kiến phát triển đang hướng tới việc
tạo điều kiện cho việc ban hành luật hoặc quy định. Tuy nhiên, chi phí là một trong
những khía cạnh quan trọng nhất trong việc áp dụng cơng nghệ và tiện ích và các bên
liên quan khác cần phải cố gắn trong việc phát triển dự án.
Jamali cùng cộng sự của ông

[19]

đã trình bày sự quan trọng của việc tích hợp chu

trình làm lạnh CO2 đối với các modun nhiệt điện trong thiết bị làm mát. Máy phát
nhiệt điện hai cấp (TEG) đã tạo ra một nguồn nhiệt thải từ bộ làm mát khí. Và nguồn

nhiệt này được dùng trong bộ làm mát nhiệt điện hai cấp (TEC), và dùng để làm mát
môi chất trước khi vào van tiết lưu. Áp suất của COP tốt nhất trong cấu hình D giảm
khoảng 4% và nhiệt độ của dịng khí mát thốt ra tại điểm COP tốt nhất giảm khoảng
8K. Hiệu quả năng lượng tối đa của cấu hình đề xuất trong khi nhiệt độ thiết bị bay hơi
là 5°C là khoảng 19% với áp suất tương ứng 92.31 [bar], giá trị này trong chu trình cơ
bản là khoảng 15% với áp suất tương ứng 101.13 [bar].
Ying [20] cùng các cộng sự của mình đã thiết kế các bộ trao đổi nhiệt dạng ống xoắn
áp dụng trong một máy bơm nhiệt CO2 siêu tới hạn với các bộ làm mát khí đã được
8


Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

nghiên cứu. Ảnh hưởng về số lượng của các ống bên trong thiết bị trao đổi nhiệt và độ
chênh lệch áp suất đã được thảo luận bằng các buổi thí nghiệm và phân tích lý thuyết.
Độ chênh lệch áp suất CO2 tăng mạnh với sự gia tăng số lượng ống bên trong bên
trong bộ làm mát khí. Nhiệt độ đầu ra của nước của bộ làm mát khí có thể được tăng
lên bằng cách tăng tốc độ dòng lạnh, nhiệt độ đầu vào của nước và giảm tốc độ dòng
nước làm mát. Tuy nhiên, những phương pháp này có thể làm giảm COP. Để tăng
COP của hệ thống và nhiệt độ thoát nước của bộ làm mát khí, hệ số truyền nhiệt của
mặt nước cần phải được cải thiện.
Gupta [21] cùng các cộng sự đã nghiên cứu về môi chất lạnh CO2 từ những tác động
mơi trường có hại của chất làm lạnh thơng thường được sử dụng đã tạo ra mối quan
tâm trên toàn thế giới trong những năm gần đây. Hiệu ứng làm suy giảm tầng ôzôn của
các chất làm lạnh chứa hóa chất như brom và clo, gây ra các yếu tố nóng lên tồn cầu
đã dẫn đến các hiệp định quốc tế. Những thách thức của việc sử dụng hệ thống này
trong môi trường nhiệt độ cao. Kết quả cưới cùng là: Áp suất vận hành tối ưu thấp hơn
một chút, đặc biệt là ở vùng II và III, khi so sánh với hệ thống lạnh truyền thống. Nó

cũng kết luận việc sử dụng expander hiệu quả cao làm tăng thêm hiệu suất của hệ
thống. COP và cải tiến của nó được vẽ với giá trị khác nhau của hiệu quả đẳng hướng
của giãn nở.
Hyungrae Kim

[22]

cùng các cộng sự đã nghiên cứu sự truyền nhiệt trong dòng áp

suất siêu tới hạn của carbon dioxit (CO2) được kiểm tra bằng cách sử dụng các phần
thử nghiệm hình học khác nhau. Các phần thử nghiệm là hai ống trịn với đường kính
bên trong là 4,4 mm và 9,0 mm tương ứng, và các annulus với một thanh nóng của 8.0
mm OD và một thanh rộng 1 mm.. Ống 9,0 mm ID cho thấy một đường cong truyền
nhiệt tương tự như của ống 4.4 mm ID ở thông lượng cao nhưng sự khác biệt trở nên
rõ ràng tại thông lượng thấp. Việc truyền nhiệt dễ bị hư hỏng trong ống lớn hơn 9,0
mm ID.
Khanam

[23]

cùng các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu phát triển dự án máy

nước nóng bơm nhiệt CO2 trong bối cảnh thế giới sẽ giảm HCFC 99,5% vào năm 2020
và cập nhật DOE vào năm 2021. Việc tìm kiếm các sản phẩm năng lượng thân thiện sẽ
làm giảm việc chi trả hóa đơn tiền điện cho những hộ gia đình, tiết kiệm hàng
kilowatt-giờ phát điện, và giảm thiểu lượng khí thải carbon, gây ra sự đổi mới của
nhiều cơng nghệ tiết kiệm năng lượng. Thử nghiệm rộng rãi và đo lường các sáng kiến
9

Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

phát triển đang hướng tới việc tạo điều kiện cho việc ban hành luật hoặc quy định. Tuy
nhiên, chi phí là một trong những khía cạnh quan trọng nhất trong việc áp dụng cơng
nghệ và tiện ích và các bên liên quan khác cần phải cố gắn trong việc phát triển dự án.
Kima cùng các cộng sự [24] đã nêu ra vấn đề rằng: ngành cơng nghiệp làm lạnh, điều
hịa khơng khí và bơm nhiệt đã bị buộc phải thông qua những thay đổi lớn gây ra bởi
những hạn chế về chất làm lạnh Việc chuyển sang các chất không chứa clo 'thân thiện
với ozone' vẫn chưa kết thúc, vì chất lỏng HCFC vẫn cần phải thay thế, chủ yếu liên
quan đến R-22 trong các ứng dụng điều hịa khơng khí và bơm nhiệt. Các chất làm
lạnh HFC đã từng được cho là chất thay thế vĩnh viễn có thể chấp nhận được nằm
trong danh sách các chất được điều chỉnh do tác động của chúng đối với biến đổi khí
hậu. Như thể hiện trong Bảng 1.1, các GWP của các HFC (R-134a, R-407C, R-410A)
theo thứ tự từ 1300–1900 liên quan đến CO2 với GWP-1; và HFC được bao gồm trong
các khí nhà kính được bao phủ bởi nghị định thư Kyoto.

Bảng 1.1. Các GWP của môi chất lạnh gốc HCFC
Nỗ lực của con đường này đã mang lại kết quả đáng ngạc nhiên, như minh họa bởi
đánh giá này cho trường hợp của CO2. Những điểm chung có chung là họ mang nghiên
cứu cơ bản về cơng nghệ có sự phát triển đã được thúc đẩy trong nhiều thập kỷ bởi
mối quan tâm về độ tin cậy và do đó được đặc trưng bởi các cải tiến gia tăng được xây
dựng trên một thực nghiệm lớn cơ sở dữ liệu.
Tsamos và Ge [25] đã nghiên cứu các đặt tính của mơi chất lạnh CO2 dựa vào GWP
khơng đáng kể, khơng có ODP và các đặc tính vật lý nhiệt, mơi chất lạnh CO2 đã trở
nên phổ biến trong thập kỷ qua. Các hệ thống này có thể được phân loại thành ba loại
chính: gián tiếp, thác và tất cả các cấu trúc tăng cường tới hạn của CO2. Bài báo này
trình bày một cuộc điều tra thực nghiệm về hiệu suất của các bình ngưng / bình ngưng
10

Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

khí ống có CO2 với các thiết kế khác nhau trong một hệ thống tăng cường CO2. Hệ
thống làm lạnh tích hợp có thể cung cấp các thông số chất lỏng CO2 được xác định tại
đầu vào bộ trao đổi nhiệt, qua đó hiệu suất của hệ thống có thể được tính tốn. Sau đó,
các phép đo mở rộng được ghi lại từ giàn thử nghiệm này, với các chỉ dẫn sâu sắc về
hiệu suất của hệ thống và các thơng số có ảnh hưởng nhất cho tối ưu hóa hệ thống.
Chúng bao gồm thiết kế trao đổi nhiệt, khơng khí trên nhiệt độ và tốc độ dòng chảy,
điều khiển áp suất siêu tới hạn và dưới tới hạn và điều khiển công suất làm mát, được
mơ tả như trong Hình 1.1

Hình 1.1.Đồ thị biểu diễn các mối tương quan
Mối tương quan giữa điện năng tiêu thụ của quạt với tốc độ dịng khí (a).
Tương quan giữa áp suất với tốc độ khơng khí (b).
Kravanja

[26]

cùng cộng sự đã nghiên cứu một cuộc thực nghiệm toàn diện về hiệu

suất truyền nhiệt của CO2, etan và hỗn hợp azeotropic của chúng trong điều kiện siêu
tới hạn. Một bộ trao đổi nhiệt ống kép được phát triển và thiết lập để nghiên cứu ảnh
hưởng của các thông số vận hành khác nhau đến hiệu suất truyền nhiệt qua một dãy
nhiệt độ (25oC – 90oC) và áp suất (5MPa - 30MPa). Tổng số và hệ số truyền nhiệt siêu
tới hạn được thu thập xung quanh điểm quan trọng của chất lỏng được nghiên cứu.
Ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, lưu lượng nước và lực bouncy lên hệ số truyền nhiệt

đã được kiểm tra. Ngoài ra, để đánh giá đúng tiềm năng và hiệu suất của hỗn hợp đồng
vị CO2-etan, các hệ số hiệu suất (COP) được tính toán cho chu kỳ làm việc của bơm
nhiệt và so với hệ thống chứa độc quyền CO2. Kết quả Tổng số HTC tăng hơn 25% khi
tốc độ dòng chảy của nước tăng từ 1L/phút lên đến 2L/phút. Gần điểm quan trọng,
11


Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

tổng giá trị HTC cho azeotropic hỗn hợp rơi giữa tổng giá trị HTC cho CO2 nguyên
chất và etan. Hiệu suất truyền nhiệt của hỗn hợp azeotropic trong nhiệt trao đổi đã
được thỏa đáng.
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước
PGS.TS Đặng Thành Trung

[27]

cùng các cộng sự đã tiến hình thực nghiệm về hệ

thống điều hịa khơng khí CO2 với thiết bị bay hơi kênh mibi sử dụng quá trình quá
lạnh. Kết quả cho thấy hiệu suất của hệ thống khi có q trình q lạnh sẽ cao hơn so
với hệ thống khơng có q trình quá lạnh. Với quá trình quá lạnh, COP của hệ thống
thu được là 4.97 khi hệ thống ở áp suất 77 bar và nhiệt độ bay hơi là 15ºC. Cịn khi
khơng có q trình q lạnh, thì COP cho trường hợp này chỉ thu được là gần 1,59
(thấp hơn cả hệ thống điều hịa khơng khí thơng thường). Người ta đề xuất rằng hệ
thống điều hịa khơng khí CO2 nên được vận hành với áp suất dao động từ 74-77 bar
và nhiệt độ bay hơi dao động từ 10-15ºC ở chế độ siêu tới hạn, điều này sẽ cho hiệu
quả và độ an toàn cao hơn.

PGS.TS. Đặng Thành Trung

[28]

cùng các cộng sự đã so sánh tốc độ trao đổi nhiệt

giữa một bộ trao đổi nhiệt thông thường và một bao đổi nhiệt kênh mini. Kích thước
bộ trao đổi nhiệt kênh micro bằng 64% so với kích thước trao đổi nhiệt thông thường
từ nhà sản xuất. Kết quả cho thấy, tốc độ truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt kênh mini
là 145W cao hơn, gần bằng với bộ tản nhiệt scooter. Ngoải ra, trong q trình thí
nghiệm đã cho thấy việc sử dụng nước làm môi chất đã cho hiệu suất truyền nhiệt cao
hơn so với việc sử dụng dung dịch etylen. Các kết quả khá giống so với các nghiên
cứu liên quan.
PGS.TS Đặng Thành Trung và Th.S Võ Kim Hằng

[29]

đã thực hiện thí nghiệm về

sự thay đổi hình dạng và kích thước của thiết bị bay hơi kênh Mini để tăng khả năng
làm mát của chu trình điều hịa CO2. Hai thiết bị bay hơi kênh Mini có cùng diện tích
truyền nhiệt được thiết kế với độ dài kênh khác nhau. Trong nghiên cứu này, nhiệt độ
môi trường để thí nghiệm cho cả hai thiết bị bay hơi là ở 32,5oC. Đối với cả hai trường
hợp, áp suất làm mát và áp suất bay hơi lần lượt là 77 bar và 42 bar. Kết quả cho thấy
khả năng làm mát của thiết bị bay hơi E2 (chiều dài ngắn hơn) tốt hơn 6,6 lần so với
công suất của thiết bị bay hơi (chiều dài dài hơn): nhiệt độ không khí đầu ra của E2
thấp hơn 1,4oC so với . Ngoài ra, sự phân bố nhiệt độ của thiết bị bay hơi E2 tốt hơn so

12

Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

với thiết bị bay hơi . Nghiên cứu cũng kết luận rằng COP của E2 lớn hơn 0,22 lần so
với kết quả thu được từ .
ThS. Nguyễn Trọng Hiếu

[30]

cùng các cộng sự đã trình bày thí nghiệm về một hệ

thống điều hịa khơng khí CO2 với các bộ trao đổi nhiệt bằng đồng. Trong nghiên cứu
này, máy nén và bộ làm mát đã được thử nghiệm với phương pháp thủy lực để xác
định nhiệt độ bị biến dạng và bị phá hỏng. Kết quả cho thấy máy nén thông thường
không phù hợp để sử dụng áp suất cao, do COP của chu kỳ rất thấp (chỉ 0,5). Với máy
nén CO2, chu kỳ có thể đạt được COP của 3,07 ở nhiệt độ bay hơi 10°C. Giá trị này
tương đương với COP của hệ thống điều hịa khơng khí thương mại hiện nay.
Từ các kết quả tổng quan trên, nhóm nhận thấy việc nghiên cứu Năng suất lạnh của
hệ thống điều hịa khơng khí CO2 cịn nhiều hạn chế và chưa rõ ràng. Vì vậy, nghiên
cứu này thực sự cần thiết.
1.4. Mục tiêu đề tài
Thông qua các bài báo khoa học, các cơng trình nghiên cứu trước nhận thấy rằng
việc xác định năng suất lạnh cho hệ thống còn hạn chế và chưa rõ ràng, từ đó nhóm
xác định được cho nhóm mục tiêu chính của đề tài:
- Xác định được các thông số nhiệt động tại các điểm nút trong hệ thống điều hịa
khơng khí CO2.
- Xác định được năng suất lạnh của hệ thống điều hịa khơng khí CO2 dùng dàn lạnh
kênh mini.

1.5. Phương pháp thực hiện đề tài
Phương pháp tổng quan tài liệu: dựa trên các bài báo nghiên cứu khoa học, đề tài
luận văn tốt nghiệp cùng các văn bản, tài liệu đã nghiên cứu được về môi chất lạnh
CO2 nêu rõ được mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
Phương pháp lý thuyết: tính tốn và sử dụng phần mềm thiết kế hỗ trợ.
Phương pháp thực nghiệm: so sánh, đối chiếu với kết quả thực tế.
Phương pháp phân tích dữ liệu: Nghiên cứu và phân tích các q trình nhiệt động
dựa vào các kết quả thu được trước đó.
1.6. Giới hạn đề tài
Năng suất lạnh của hệ thống điều hịa khơng khí dùng mơi chất lạnh CO2 với thiết
bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước và gió cùng với dàn lạnh kênh mini có năng suất
4200W, điều kiện nhiệt độ mơi trường tại TP. Hồ Chí Minh.
13


Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Cơ sở lý thuyết
2.1.1. Cơ sở truyền nhiệt
Sự truyền nhiệt thường là từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp hơn nên
có thể xác định thông qua chênh lệch nhiệt độ trong hệ, nghĩa là dòng nhiệt sẽ xảy ra
khi tồn tại Gradien nhiệt độ trong hệ. Truyền nhiệt làm thay đổi năng lượng bên trong
của cả hai hệ thống liên quan theo Định luật nhiệt động lực thứ nhất. Các kỹ sư cũng
xem xét việc chuyển khối lượng của các loại hóa học khác nhau, lạnh hoặc nóng, để
đạt được sự truyền nhiệt. Mặc dù các cơ chế này có các đặc điểm riêng biệt, chúng
thường xảy ra đồng thời trong cùng một hệ thống.
Do vậy, việc nghiên cứu về sự phân bố nhiệt độ trong hệ là yếu tố quan trọng trong

vấn đề truyền nhiệt, đây là nhiệm vụ chính khi tính tốn thiết kế cũng như tính tốn
kiểm tra. Nắm vững nội dung của quy luật trao đổi nhiệt chúng ta có thể tăng cường
hoặc hạn chế sự trao đổi nhiệt giữa các vật tùy theo yêu cầu của thực tế. Khi nghiên
cứu về truyền nhiệt, chúng ta vẫn sử dụng định luật thứ nhất và định luật thứ hai của
nhiệt động kỹ thuật. Dựa vào định luật thứ nhất để xác định cân bằng năng lượng, dựa
vào định luật thứ hai để xác định chiều hướng của quá trình truyền nhiệt. Truyền nhiệt
là một chuyên môn về kỹ thuật nhiệt liên quan đến việc tạo, sử dụng, chuyển đổi và
trao đổi năng lượng nhiệt giữa các hệ thống vật lý. Truyền nhiệt được phân loại thành
các cơ chế khác nhau, chẳng hạn như dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt, bức xạ nhiệt và truyền
năng lượng bằng cách thay đổi pha.
2.1.2. Dẫn nhiệt
Dẫn nhiệt là một dạng truyền nhiệt năng từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt
độ thấp do sự truyền động năng hoặc va chạm các phần tử và nguyên tử.
Độ dẫn nhiệt (thường được ký hiệu là 𝜆 hoặc k) đề cập đến khả năng nội tại của vật
liệu để truyền hoặc dẫn nhiệt. Quá trình truyền nhiệt có thể được định lượng theo các
phương trình tỷ lệ thích hợp. Phương trình tốc độ trong chế độ truyền nhiệt này dựa
trên định luật dẫn nhiệt của Fourier.
Dẫn nhiệt có thể được định nghĩa là lượng nhiệt trên một đơn vị thời gian qua một
đơn vị diện tích, có thể được dẫn qua một tấm có độ dày bằng đơn vị của một vật liệu
nhất định, các mặt của tấm khác nhau bởi một đơn vị nhiệt độ.

14


Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

2.1.3. Trao đổi nhiệt đối lưu
Trao đổi nhiệt đối lưu là một phương thức trao đổi nhiệt xảy ra giữa chất lỏng tiếp

xúc bề mặt vật rắn. Truyền nhiệt đối lưu, thường được gọi đơn giản là đối lưu, là sự
truyền nhiệt từ nơi này sang nơi khác bằng sự chuyển động của chất lỏng. Đối lưu
thường là hình thức truyền nhiệt chủ yếu trong chất lỏng và khí. Sự chênh lệch mật độ
chất lỏng sẽ làm xuất hiện những chuyển động tạo thành một dòng đối lưu, đồng thời
dòng đối lưu này sẽ mang đi một lượng nhiệt.
Người ta phân biệt giữa đối lưu tự nhiên (dòng vật chất chuyển động nhờ nội năng
trong chất lỏng, khí ví dụ như ống khói) và đối lưu cưỡng bức (dòng chuyển động do
ngoại lực tác dụng, ví dụ như quạt, bơm v.v...)
2.1.4. Trao đổi nhiệt bức xạ
Truyền nhiệt bức xạ là hình thức liên quan đến việc trao đổi năng lượng bức xạ giữa
2 hay nhiều vật thể.
Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ gồm 2 giai đoạn. Ở giai đoạn 1, nhiệt năng của vật
thể thứ nhất được biến thành các sóng điện từ và được bức xạ ra ngồi khơng gian.
Giai đoạn 2, các sóng điện từ này gặp vật thứ 2 rồi bị hấp thụ và biến thành nhiệt năng,
một phần phản xạ lại, và một phần đi xuyên qua vật thể.
Khác với dẫn nhiệt với trao đổi nhiệt đối lưu, trao đổi nhiệt bức xạ cần phải có bề
mặt tiếp xúc giữa hai vật thể, trao đổi nhiệt bức xạ có thể trao đổi nhiệt kể cả ở trong
môi trường chân khơng.
2.1.5. Giới thiệu chung về mơi chất lạnh CO2
2.1.5.1. Tính chất vật lý
Carbon dioxide (CO2) là một loại khí trong suốt (ở điều kiện khí quyển) khơng có
mùi đặc biệt khi nồng độ dưới mức nghẹt thở. Khoảng 0,04% không khí trong khí
quyển là CO2, do đó CO2 đang ở nồng độ khoảng 380 phần triệu (ppm) trong khơng
khí. Khơng khí thở ra từ cơ thể có CO2 nồng độ khoảng 4%.
Dựa vào sơ đồ vùng chuyển pha như thể hiện ở Hình 2.1. chúng ta có thể xác định
nhiệt độ tới hạn của R744 là 31,1°C. Nhiệt độ tới hạn thấp có nghĩa là R744 khơng thể
được sử dụng hiệu quả trong chu trình làm lạnh dưới tới hạn đơn giản vì thiết bị ngưng
tụ sẽ khơng truyền nhiệt trên nhiệt độ tới hạn. Do đó, thiết bị ngưng tụ sẽ khơng hiệu
quả và nhiều tổn thất có thể xảy ra. Hơn nữa, ở nhiệt độ gần nhiệt độ tới hạn nhưng

15


Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

thấp hơn nhiệt độ, có sự giảm mạnh của entanpy hóa hơi dẫn đến giảm cơng suất sưởi
và giảm hiệu suất hệ thống.

Hình 2.1. Sơ đồ vùng chuyển pha R744
Vùng 1: CO2 ở thể khí
Vùng 2: CO2 ở thể rắn
Vùng 3: CO2 ở trạng thái siêu tới hạn (supercritical fluid) khi cả nhiệt độ và áp suất
bằng hoặc lớn hơn điểm tới hạn 31oC và 73,9 bar. Trong trạng thái này, CO2 có cả hai
tính chất của chất khí và chất lỏng.
Sơ đồ vùng chuyển pha không bị giới hạn bởi nhiệt độ tới hạn vì nhiệt lượng tỏa ra
thơng qua sự trượt nhiệt độ. Thiết bị ngưng tụ trong chu trình chuyển pha được thay
thế bằng thiết bị làm mát khí vì khơng có q trình ngưng tụ diễn ra mà thay vào đó là
q trình làm mát khí. Lưới nhiệt độ này là lợi thế đặc biệt trong các ứng dụng như
sưởi ấm nước và sưởi ấm khơng khí (ví dụ: quy trình sấy khơ) vì hiệu quả liên quan.
Phạm vi nhiệt độ trong đó làm lạnh R744 có thể hoạt động trong hoạt động chuyển hóa
cao nhất khi so sánh với các chất làm lạnh đối lưu khác, tức là -50°C đến 120°C.
Nhược điểm duy nhất với chu kỳ chuyển tiếp cho R744 là áp suất cao. Áp suất tới hạn
của R744 là 73,9 bar.
Nếu R744 được vận hành thông qua chu kỳ chuyển pha, thì áp suất cao của nó sẽ ở
trên 73,9 bar, khá cao. Điều này đòi hỏi một thiết kế thiết bị có thể xử lý một áp lực
cao như vậy. Áp suất cao có những ưu điểm riêng (ví dụ: thiết bị và thiết kế nhỏ gọn)
và nhược điểm (thiết bị tốn kém và các vấn đề an tồn). Tuy nhiên, với những tiến bộ
cơng nghệ hiện nay, áp lực này không phải là mối quan tâm lớn.

16


Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

2.1.5.2. Ưu, nhược điểm của CO2
* Ưu điểm:


Có sẵn ở khắp mọi nơi, khơng phụ thuộc vào nguồn cung cấp đặc quyền nào,

giá thành sản xuất thấp, khơng u cầu tái chế.


Tính chất vật lý của CO2 được đánh giá cao thuận lợi cho việc làm mát, có năng

suất lạnh riêng cao.
 Có khả năng tương thích và kết hợp tốt với các loại dầu bơi trơn.
 Có độ chênh áp thấp trong đường ống làm việc và trên thiết bị trao đổi nhiệt. Ví
dụ sự tác động của đường hút dài và đường lỏng rất nhỏ.
 Ít độc và khơng bắt lửa.
 Khơng gây ăn mòn với tất cả các loại vật liệu.
* Nhược điểm:
 Hệ thống có nguy cơ rị rỉ cao. Do đó thiết kế của các hệ thống R744 có cấu tạo
phức tạp dẫn đến giá thành khá cao.
 Các thiết bị trong hệ thống cần được kiểm định an toàn thường xuyên do chúng
phải làm việc ở áp lực cao.
2.1.5.3. Ứng dụng của CO2 trong công nghiệp lạnh

R744 trong lĩnh vực điều hịa khơng khí đã trở thành tâm điểm của các nghiên cứu
bởi cả các tổ chức nghiên cứu và ngành cơng nghiệp vì nhu cầu cao và các yêu cầu cho
các lựa chọn thay thế HFC. Hàng năm, nhu cầu mua máy lạnh dân dụng hơn 40 triệu
bộ, các sản phẩm thúc đẩy tăng thị trường hơn dự kiến. Mối quan tâm về môi trường
trong ứng dụng này là nhiều hơn tập trung vào các tác động gián tiếp của khí thải do
sử dụng năng lượng, hơn về tác động trực tiếp của rị rỉ mơi chất lạnh. Do đó, vấn đề
đạt hiệu quả năng lượng là hết sức quan trọng. Qua nhiều nghiên cứu cho thấy các kết
quả đầy hứa hẹn với việc áp dụng R744 trong hệ thống điều hịa khơng khí. Các thiết
bị với chất làm lạnh một chiều đang hoạt động đáng tin cậy và hiệu quả hơn so với
máy lạnh hai chiều.
2.1.5.4. Cơng thức tính tốn liên quan
Lưu lượng thể tích:
V = v.F ( m3/s)
Lưu lượng khối lượng

G = .V ( kg/s)

Hệ số tối ưu a và b:
a = Pk/P0 ; b = Pk/Peri
17


Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

Pk: Áp suất đầu đẩy; Pk = 73,8 bar

Po: Áp suất đầu hút

Công thức nhiệt động học:

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều hịa khơng khí CO2
Cơng thức nhiệt động tính tốn năng suất lạnh, cơng nén, COP,... trong hệ thống
điều hịa khơng khí CO2 dựa trên sơ đồ ngun lý như thể hiện ở hình 2.4.
Cơng nén đoạn nhiệt để nén G kg môi chất lạnh từ trạng thái 1 đến trạng thái 2:
N = G.(i2 - i1)
Năng suất giải nhiệt cho G kg môi chất lạnh tại thiết bị ngưng tụ:
Q2-3= G.(i2 – i3)
Năng suất lạnh của G kg môi chất lạnh tại thiết bị bay hơi:
Qo = G.(i1 – i4)
Hệ số hiệu quả năng lượng của chu trình lạnh:
COP =

Qo
N

2.2 Tính tốn lý thuyết
2.2.1. Tính tốn thiết bị ngưng tụ
Chọn thơng số khí hậu tại TP. HCM cho điều hòa cấp 3.
Nhiệt độ t1= 330C
Độ ẩm φ1=60 %
Nhiệt độ nhiệt kế ướt Tư = 26,8℃
Nhiệt độ nước giải nhiệt Tn = 27,5℃
18


Đồ Án Tốt Nghiệp

PSG.TS Đặng Thành Trung

Tra theo bảng catalogue ống đồng Tồn Phát chọn ống đồng có:
Dngồi = 0.004 m
Dtrong = 0,00278 m
Thông số lý thuyết các điểm nút của chu trình hệ thống điều hịa khơng khí sử dụng
môi chất R744 được xác định và thể hiện ở Bảng 4.1.
Bảng 2.1. Thơng số lý thuyết chu trình điều hịa khơng khí CO2
Điểm

P (bar)

t (°C)

h (kJ/kg)

1’

40,7

12

438

2

73

56,5

461

2’

73

30,5

362

3

73

30,5

310

3’

73

29,5

292

4

40,7

6

292

1

40,7

6

427

Để đảm bảo hoạt động của chu trình dưới tới hạn của hệ thống điều hịa khơng khí
CO2 Tth=30,90C. Thì nhóm nghiên cứu chọn nhiệt độ ngưng tụ Tk=30,50C tại áp suất
Pk= 73 bar. Tại thiết bị ngưng tụ diễn ra hai quá trình. Quá trình 2 đến 2’ là quá trình
giải nhiệt cho môi chất và nhiệt độ môi chất giảm từ (56,5 0C xuống 30,5 0C) đẳng áp.
Quá trình 2’ đến 3 là quá trình ngưng hơi đẳng nhiệt, đẳng áp để mơi chất chuyển từ
dạng hơi sang dạng lỏng bão hịa. Tuy nhiên, để đảm bảo độ chính xác trong quá trình
nghiên cứu, được thực hiện một cách tối ưu thì nhóm thêm q trình q lạnh từ 3 đến
3’ có nhiệt độ giảm, áp suất không đổi.
Máy nén sử dụng trong nghiên cứu là máy nén Dorin CD200 - Model 180H
Ta chọn chu trình lý thuyết theo phần mềm Dorin cho loại máy nén 180H với các
thông số đầu vào:
t0 = 6 0C;
tk =30,5 0C
Tsuperheat = 6 0C
Tsubcooling = 1 0C
Tra catalogue của hãng, ta được lưu lượng khối lượng:
G=97.6 kg/h =0,02711 kg/s
Tf =

𝑡2+𝑡𝑘
2

=

56,5+30,5
2

= 43,5 0C (Nhiệt độ trung bình)

19