Hcmute nghiên cứu thực nghiệm nâng cao cop cho máy lạnh nén hơi bằng giải pháp flash gas bypass

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM NÂNG CAO COP
CHO MÁY LẠNH NÉN HƠI BẰNG GIẢI PHÁP
FLASH GAS BYPASS

MÃ SỐ: T2018-23TĐ

SKC 0 0 6 4 7 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2019

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM NÂNG CAO
COP CHO MÁY LẠNH NÉN HƠI BẰNG GIẢI
PHÁP FLASH GAS BYPASS

Mã số: T2018-23TĐ

Chủ nhiệm đề tài: NCS. Đoàn Minh Hùng

TP. HCM, 04/2019

Luan van


TRƯỜNGĐẠI
ĐẠIHỌC
HỌCSƯ
SƯPHẠM
PHẠMKỸ
KỸTHUẬT
THUẬT
TRƯỜNG
THÀNHPHỐ
PHỐHỒ
HỒCHÍ
CHÍMINH
MINH
THÀNH
KHOA
CƠKHÍ
KHÍĐỘNG
ĐỘNG
LỰC
KHOA CƠ
LỰC

BÁO
BÁOCÁO
CÁOTỔNG
TỔNGKẾT
KẾT

ĐỀ
ĐỀTÀI
TÀIKH&CN
KH&CNCẤP
CẤPTRƯỜNG
TRƯỜNGTRỌNG
TRỌNGĐIỂM
ĐIỂM

NGHIÊN
NÂNG
NGHIÊNCỨU
CỨUTHỰC
ĐÁNHNGHIỆM
GIÁ HIỆU
QUẢCAO
CỦA
COP THIẾT
CHO MÁY
LẠNH NÉN
HƠI BẰNG
GIẢI
BỊ NGƯNG

TỤ KÊNH
MICRO
PHÁP FLASH
GAS BYPASS
VNG
Mã số: T2018-23TĐ
Mã số: T2017-34TĐ

Chủ nhiệm đề tài: NCS. Đồn Minh Hùng
Thành viên đề tài: PGS.TS. Đặng Thành Trung
Chủ nhiệm đề tài: Đoàn
Hùng
TS. Minh
Nguyễn
Xuân Viên
Thành viên đề tài: ThS.
ThS.Nguyễn
NguyễnTrọng
Trọng Hiếu
Hiếu

TS. Nguyễn Xuân Viên

TP. HCM, 04/2019
TP. HCM, 05/2018

Luan van

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016

MỤC LỤC
DANH SÁCH CÁC HÌNH ................................................................................. III
DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................ III
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................IV
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................. 4
1.1 Giới thiệu vấn đề nghiên cứu ......................................................................... 4
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước .................................................... 5
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước ................................................................ 5
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................. 10
1.3 Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 10
1.4 Mục tiêu đề tài ............................................................................................... 10
1.5 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu ...................................................... 11
1.5.1 Cách tiếp cận ............................................................................................ 11
1.5.2. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 11
1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 11
1.6.1 Đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 11
1.6.2 Phạm vi nghiên cứu .................................................................................. 11
1.6 Nội dung nghiên cứu...................................................................................... 11
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM .............. 12
2.1. Cơ sở lý thuyết về chu trình máy lạnh 1 cấp có quá lạnh và quá nhiệt ...... 12
2.1.1. Sơ đồ và nguyên lý làm việc .................................................................... 12
2.1.2. Đồ thị và các cơng thức tính tốn chu trình .............................................. 13
2.2. Cơ sở tính tốn thiết kế ................................................................................ 14
2.2.1. Cơ sở tính tốn cơng suất các thiết bị chính ............................................. 14
2.2.2. Tính tốn thiết kế thiết bình bay hơi làm lạnh nước.................................. 15
2.2.3 Tính tốn cho thiết bị ngưng tụ ................................................................. 18
2.3. Tính tốn thiết kế các thiết bị chính ............................................................ 20
2.3.1. Chọn thơng số làm việc và tính tốn chu trình.......................................... 20
2.3.2. Tính chọn máy nén .................................................................................. 21

2.3.3. Tính tốn và thiết kế bình bay hơi ............................................................ 21
2.3.4. Tính tốn và lựa chọn bị ngưng tụ ............................................................ 24
2.3.5 Thiết kế 3D cho mơ hình hệ thống thí nghiệm: ......................................... 27

I

Luan van


CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM......................................................... 29
3.1. Sơ đồ thí nghiệm ........................................................................................... 29
3.2. Thông số kỹ thuật của thiết bị đo................................................................. 30
3.2.1. Áp suất .................................................................................................... 30
3.2.2. Nhiệt độ ................................................................................................... 30
3.2.3. Lưu lượng kế ........................................................................................... 31
3.2.4. Công tơ điện tử ........................................................................................ 32
3.3. Vận hành hệ thống ........................................................................................ 32
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 34
4.1. Độ chênh áp .................................................................................................. 34
4.2. Tỷ số nén ....................................................................................................... 34
4.3. Nhiệt độ và độ quá nhiệt của môi chất. ........................................................ 35
4.4. Hệ số làm lạnh............................................................................................... 36
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................... 37
4.1. Kết luận ......................................................................................................... 37
4.2. Kiến nghị ....................................................................................................... 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 39
PHỤ LỤC............................................................................................................. 43

II

Luan van


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Đồ thị lgp-h của máy lạnh 1 cấp nén
Hình 1.2: Đồ thị chu trình máy lạnh 1 cấp nén sử dụng phương pháp flash gas bypass
Hình 1.3: Bộ tách lỏng - hơi loại T
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý
Hình 2.2: Đồ thị lgp-h
Hình 2.3: Đồ thị T-s
Hình 2.4: Kích thước thiết kế bình bay hơi làm lạnh nước
Hình 2.5: Thiết kế hệ thống thí nghiệm trên mơ hình 3D
Hình 3.1: Sơ đồ thí nghiệm
Hình 3.2: Đồng hồ áp suất đơi HengSen SBF-T-536H
Hình 3.3: Đồng hồ đo nhiệt độ
Hình 3.4: Lưu lượng kế
Hình 3.5: Cơng tơ điện tử
Hình 3.6: Hệ thống thí nghiệm
Hình 4.1: Độ chênh áp của bình bay hơi
Hình 4.2: Tỷ số nén
Hình 4.3: So sánh nhiệt độ và độ quá nhiệt
Hình 4.4: Hệ số làm lạnh

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1: Thông số trạng thái các điểm nút của chu trình.
Bảng 2: Các thơng số cần thu thập:

III

Luan van

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các chữ viết tắt
DX

Chu trình tiết lưu trực tiếp (Direct Expansion)

FGB

Chu trình sử dụng bộ tách hơi (Flash Gas Bypass

Ký hiệu
c

Tỷ số thể tích chết

cp

Nhiệt dung riêng [kJ/kg.độ]

do

Đường kính ngồi của ống trao đổi nhiệt [m]

di

Đường kính trong của ống trao đổi nhiệt [m]

Pr

Tiêu chuẩn Prandlt

t

Nhiệt độ [oC]

𝛼

Cường độ tỏa nhiệt [W/m2]

𝛿

Chiều dày vách [m]

𝜇

Phân tử lượng của môi chất

𝜇𝑎

Độ nhớt động học [Pa.s]

ρ

khối lượng riêng [kg/m3]

λ

Hệ số dẫn nhiệt [W/m.độ]

ν

Vận tốc khối lượng [m2/s]

∆𝑝 Trở lực [Pa]

IV

Luan van


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Tp. HCM, ngày 10 tháng 4 năm 2019

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm nâng cao COP cho máy lạnh nén hơi bằng
giải pháp Flash gas bypass
- Mã số: T2018-23TĐ
- Chủ nhiệm: GV. Đồn Minh Hùng
- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM
- Thời gian thực hiện: 15/03/2018 đến 31/05/2019

2. Mục tiêu:
Nâng cao hệ số làm lạnh (COP) cho hệ thống lạnh có sử dụng máy lạnh nén hơi bằng
thực nghiệm với giải pháp Flash gas bypass.
3. Tính mới và sáng tạo:
Đã chỉ ra giải pháp nâng cao COP cho hệ hệ thống lạnh để tiết kiệm năng lượng.
4. Kết quả nghiên cứu: Đạt yêu cầu đặt ra
Kết quả nghiên cứu bằng thực nghiệm cho hệ thống lạnh dùng môi chất R124a khi áp
suất sau tiết lưu thay đổi từ 2.7bar đến 3,5bar cho cả 2 chế độ vận hành: Tiết lưu trực tiếp
(DX) như thông thường và chế độ có Flash gas bypass (FGB) đạt được các kết quả như sau:
(1) Độ chênh áp của thiết bị bay hơi trong trường hợp FGB thấp hơn trường hợp DX từ
0,1 đến 0,2 bar.
(2) Tỷ số nén thực của máy nén trong trường hợp FGB thấp hơn so với trường hợp DX từ
0,3 đến 0,5.
(3) Độ quá nhiệt tại đầu hút máy nén của FGB thấp hơn so với DX từ 1oC đến 2oC.
(4) Hệ số làm lạnh của FGB cao hơn so với DX từ 2,8% đến 4,7%
5. Sản phẩm:
MinhHung Doan *, TrongTuan NguyenTran, XuanVien Nguyen and Thanhtrung
Dang, Experimental Study on Improving Coefficient of Performance for Split Air

1

Luan van


Conditioning System by Using an Innovative Separated–Vapor Device, 2018 4th International
Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD), pp 395-398.
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
Các kết quả nghiên cứu đăng ở các tạp chí uy tín được trích lục.
Trưởng Đơn vị
(ký, họ và tên)

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)

2

Luan van


INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Project title: Experimental Study on Improving Coefficient of Performance for
refrigeration System by Flash gas bypass method.
Code number: T2018-23TĐ
Coordinator: Doan Minh Hung (Minhhung Doan)
Implementing institution: Hochiminh City University of Technology and Education
Duration: from Mrach 15, 2018 to May 31, 2018
2. Objective(s):
Study on improving coefficient of preformance for refrigeration system.
3. Creativeness and innovativeness:
Indicated the solution to improve COP for refrigeration system to save energy.
4. Research results:
Refrigerant pressure drop of evaporator in FGB is always lower than DX.
FGB always get COP higher than DX from 2.8% to 4.7%.
5. Products:
MinhHung Doan *, TrongTuan NguyenTran, XuanVien Nguyen and Thanhtrung
Dang, Experimental Study on Improving Coefficient of Performance for Split Air
Conditioning System by Using an Innovative Separated–Vapor Device, 2018 4th
International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD), pp
395-398.

6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability:
The results publishing on journal of science and technology will be cited by scientists.

3

Luan van


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu vấn đề nghiên cứu
Các hệ thống lạnh nén hơi thực làm việc với chu trình 1 cấp nén ln ln có độ q lạnh
ở thiết bị ngưng tụ và độ quá nhiệt ở thiết bị bay hơi, đồng thời quá trình nén thực của máy
nén ln có tổn thất năng lượng và ln có độ giảm áp của môi chất lạnh khi qua thiết bị
ngưng tụ và thiết bị bay hơi. Ví dụ đồ thị chu trình máy lạnh 1 cấp nén được trình bày như
hình 1.1.
lgp
4

2
3

5

6

1
h

Hình 1.1. Đồ thị lgp-h của máy lạnh 1 cấp nén
Từ đồ thị hình 1.1 ta thấy mơi chất sau q trình tiết lưu có trạng thái là 5, đây là trạng

thái hơi bão hòa ẩm (lỏng + hơi) và tỉ lệ lượng lỏng và hơi này tùy thuộc vào loại môi chất
lạnh và các thông số vận hành mà có giá trị khác nhau có thể từ 15% đến 35% lượng môi chất
đã bay hơi.
Lượng môi chất sau quá trình tiết lưu đã bay hơi thì lượng hơi này đi qua thiết bị bay hơi
cũng khơng có giá trị về mặt trao đổi nhiệt với môi trường cần làm lạnh. Vậy nếu ta tách tồn
bộ lượng mơi chất đã bay hơi, không cho đi qua thiết bị bay hơi mà cho bypass về sau thiết
bị bay hơi có thể về trước đầu hút máy nén thì có thể giảm được một năng lượng cần thiết để
vận chuyển toàn bộ lượng hơi trên đi qua toàn bộ chiều dài đường ống của thiết bị bay hơi.
Quá trình này được thể hiện như trên hình 1.2.

4

Luan van


lgp

2'

4
3

6''

5'
5

6'

1

1'

h

.

Hình 1.2: Đồ thị chu trình máy lạnh 1 cấp nén sử dụng phương pháp flash gas bypass
Lượng hơi sau khi được tách ra cho bypass về đầu hút máy nén kết hợp với hơi quá nhiệt
sau thiết bị bay hơi để làm giảm độ quá nhiệt. Thực vậy khi áp suất đầu hút máy nén tăng,
nhiệt độ đầu hút giảm làm cho nhiệt độ đầu đẩy cũng giảm theo và độ chênh áp của thiết bị
ngưng tụ cũng giảm và cơng nén thực cũng sẽ giảm khi có cùng một năng suất lạnh. Tất cả
những điều này sẽ dẫn đến hệ số làm lạnh của máy lạnh sẽ được nâng cao.

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Chu trình lạnh được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ nông nghiệp, công nghiệp đến các
ngành dịch vụ và trong đời sống hàng ngày của con người, nhiều nghiên cứu về cả lý thuyết
và thực nghiệm đã và đang thực hiện nhằm phân tích những tác động ảnh hưởng đến hệ số
hiệu quả năng lượng của chu trình với mục tiêu tăng COP tới mức tối ưu như:
S. Devotta cùng các cộng sự [1] đã tìm kiếm các lựa chọn thay thế cho HCFC – 22 trong
điều hịa khơng khí. NIST CYCLE_D đã được sử dụng cho việc so sánh các phân tích về nhiệt
động lực học. Trong số các môi chất lạnh được nghiên cứu (HFC134a, HC290, R407C,
R410A và ba hỗn hợp HFC32, HFC134a và HFC125), HFC134a cung cấp COP cao nhất,
nhưng công suất của nó ở mức thấp nhất và yêu cầu máy nén lớn hơn nhiều so với các môi
chất cùng được so sánh. Pamela Reasor và các cộng sự [2] thực hiện một cuộc điều tra so
sánh hiệu suất làm lạnh của R1234yf với R134a, R410A. Mô phỏng được tiến hành để xác
5

Luan van

định tính khả thi của việc sử dụng R1234yf như là một thay thế cho R134a hoặc R410A. Jain
Siddharth và các cộng sự [3] đã phân tích định lượng các lợi ích tiềm năng của phun hơi trong
máy nén xoắn. Đối với ứng dụng trong cùng điều kiện điều hòa khơng khí, COP của hệ thống
tăng từ 6% – 8%, thể tích hút giảm 16%. Trong ứng dụng làm lạnh, COP hệ thống tăng 10%
– 12%, thể tích nén giảm 28%. Gustavo Pöttker [4] đã nghiên cứu thực nghiệm và đưa ra ba
cơ hội khác nhau trong việc tăng COP trong hệ thống nén hơi gồm: sử dụng các đầu phun
phục hồi, quá lạnh dàn ngưng tụ và tăng kích thước tương đối của bộ trao đổi nhiệt. Christian
Lucas và các cộng sự [5] cũng nghiên cứu thực nghiệm về việc cải thiện COP trong chu trình
lạnh bằng việc sử dụng thiết bị phun. Nghiên cứu này chỉ ra rằng, so với COP tối đa của chu
trình sử dụng van tiết lưu, COP của chu trình sử dụng thiết bị phun này tăng 17% với môi
chất CO2. Ammar M. Bahman và các cộng sự [6] cũng đề xuất sử dụng máy nén dạng phun
hơi với bộ tiết kiệm để cải thiện hiệu suất hệ thống điều hịa khơng khí dạng cụm. Kết quả
cho thấy nhiệt độ đầu đẩy của máy nén giảm đến 5°C, cải thiện công suất lạnh và COP tương
ứng lên tới 12,7% và 3,1%. Nghiên cứu thực nghiệm về tác dụng của việc quá lạnh bình
ngưng đối với hiệu suất của một hệ thống điều hịa khơng khí hoạt động với mơi chất R134a
và R1234yf. Pottker, G., Hrnjak, P [7] đã chỉ ra rằng trong một điều kiện hoạt động nhất định,
COP hệ thống tăng lên đến 18% cho R1234yf và 9% cho R134a. Ammar M. Bahman và
Eckhard A. Groll [8] đã ứng dụng mạch sắp xếp xen kẽ để cải thiện hiệu suất của thiết bị bay
hơi và COP của hệ thống điều hịa khơng khí dạng cụm. Ứng dụng này giúp cải thiện công
suất lạnh và COP tương ứng lên tới 16,6% và 12,4%.
Nghiên cứu của Bowers, Chad D. và các cộng sự [9] cho thấy rằng sự phân bổ các dịng
mơi chất lỏng, đặc biệt là ở thiết bị bay hơi, bên cạnh đó, hiện tượng ở đầu vào của thiết bị là
dòng chảy ngược và nhảy thủy lực đã được quan sát thấy có thể làm giảm hiệu suất truyền
nhiệt của thiết bị, do đó làm giảm hiệu quả và năng suất của hệ thống. Hoon Kang và các cộng
sự [10] cũng nghiên cứu ảnh hưởng của sự tạo bọt khí ở ngay đầu vào của van tiết lưu điện tử
bằng tỉ số “flash gas”. Khi tỉ số này tăng, công suất lạnh trung bình của hệ thống giảm nhiều
so với việc giảm lượng điện năng tiêu thụ, dẫn đến COP trung bình của hệ thống và nhiệt độ
đầu đẩy của máy nén tăng. Hiện tượng dòng chảy ngược được nghiên cứu chi tiết bởi Hanfei
Tuo, Pega Hrnjak [11,12]. Các nghiên cứu này đã chỉ ra ba ảnh hưởng của dòng chảy ngược

đến hiệu quả làm việc của thiết bị bay hơi, bao gồm: hạn chế sự phân phối lỏng; giảm hệ số
truyền nhiệt; tăng tổn thất áp suất phía mơi chất lạnh. Đồng thời xác định được lưu lượng
dòng chảy ngược và mô phỏng các biến động sôi của R-134a trong thiết bị bay hơi kênh micro
6

Luan van


trong hệ thống điều hịa khơng khí. Từ các nghiên cứu trên, ta có thể thấy rằng, sau khi qua
van tiết lưu nếu trực tiếp đưa dòng hơi bão hòa ẩm vào thiết bị bay hơi thì: phân phối lỏng
khơng đều, sự chiếm chỗ của pha hơi – điều mà trước đó là một phần ngun lý của chu trình
lạnh – làm giảm diện tích trao đổi nhiệt. Một giải pháp được đề xuất đó là thơng hơi và bỏ
qua dịng hơi tích tụ ngay đầu vào của thiết bị bay hơi.
Thuật ngữ Flash Gas Bypass (FGB) hay Flash tank xuất hiện như là một cách tiếp cận mới
trong việc tách lỏng – hơi trong hệ thống điều hịa khơng khí, bơm nhiệt và một số hệ thống
khác giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống. Dòng hơi bão hòa ẩm được tách ra thành
pha lỏng và pha hơi. Hơi được đưa trực tiếp về đầu hút của máy nén và chỉ có lỏng được đi
vào thiết bị bay hơi. Điều này giải quyết vấn đề phân phối lỏng, diện tích trao đổi nhiệt và tổn
thất áp suất trong thiết bị bay hơi. Stefan Elbel, Pega Hrnjak [13] đã chứng minh rằng cách
tiếp cận này có khả năng cải thiện COP hệ thống điều hịa khơng khí khi so sánh thử nghiệm
với một hệ thống tiết lưu trực tiếp (DX) thông thường môi chất R744. So sánh này cho thấy
rằng FGB tăng đồng thời công suất lạnh và COP tương ứng lên tới 9 và 7%. Hanfei Tuo, Pega
Hrnjak [14,15,16] tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của của FGB trong hệ thống điều hịa khơng
khí di động sử dụng môi chất R134a (với dàn lạnh micro 1 pass). Các nghiên cứu này cho
thấy khi hoạt động ở cùng tốc độ nén, hệ thống ở chế độ FGB có công suất lạnh tăng thêm
13% - 18% và COP cao hơn 4% - 7% so với chế độ DX. Khi tốc độ nén được điều chỉnh để
duy trì cùng cơng suất lạnh, COP được cải thiện 37% - 55%. Bên cạnh đó, các nghiên cứu
cũng chỉ ra rằng việc loại bỏ khí ở thiết bị bay hơi giúp cải thiện việc phân phối môi chất lạnh
và giảm sụt áp trong thiết bị bay hơi kênh micro, do đó làm tăng hiệu quả hệ thống. D.D.
Bhoge, A.M.Patil [17] cũng chỉ ra rằng khi hệ thống được vận hành ở cùng điều kiện tải, COP

thực tế ở chế độ FGB tăng lên 1,27% đến 7,28%, COP lý thuyết khoảng 2,07% đến 5,93% và
COP trong chu trình Carnot là 2,38% đến 7,42% so với chế độ DX. Ở chế độ FGB, tổn thất
áp suất ở thiết bị bay hơi ít hơn khoảng 0,1 bar, do tổn thất áp suất ít đi nên cơng máy nén
giảm 9% và nhiệt độ đầu đẩy giảm 2oC – 4oC. Gustavo Pottker và cộng sự [18] thực hiện sự
so sánh giữa hệ thống FGB và một hệ thống thông thường (CV) bằng thực nghiệm để định
lượng COP tăng do cấp lỏng hoàn toàn cho thiết bị bay hơi. Kết quả cho thấy COP cải thiện
dao động từ 4,9% đến 9,0%. Các cơ chế cải tiến là giảm tổn thất áp suất phía mơi chất trong
thiết bị bay hơi. Hwang, Yunho và các cộng sự [19] đã nghiên cứu thực nghiệm một chiến
lược kiểm soát hệ thống phun hơi môi chất R410a với “ flash tank”. Thiết bị “flash tank” này
được trang bị một mắt kính để theo dõi mức lỏng của môi chất và thấy được sự tách pha lỏng
7

Luan van


– hơi của mơi chất. Các thí nghiệm cho thấy rằng mức lỏng duy trì trong “ flash tank” nên ở
mức từ 40% - 60% chiều cao bình để đảm bảo việc tách pha đáng tin cậy hơn. Ye Liu và các
cộng sự [20] đã nghiên cứu hiệu suất của chu trình làm lạnh phun hơi tăng cường (EERC) với
bộ tiết kiệm flash tank cho việc sử dụng ở mức nhiệt thấp. Nghiên cứu so sánh hiệu suất của
chu trình sử dụng “flash tank” và vòi phun phụ trợ với chu trình nén hơi thơng thường
(CERC). Kết quả thực nghiệm cho thấy chu trình EERC với bộ “flash tank” có thể cải thiện
hiệu suất, COP tối đa của EERC với mơi chất R134a và R600a có thể tăng tương ứng 10,7%
và 9,9% so với CERC.
Ngoài ra, khả năng làm mát của EERC cũng có sự cải thiện. Xue Jie và các cộng sự [21]
cũng đã sử dụng bình chứa “flash tank” trong việc giải quyết vấn đề về nhiệt độ đầu đẩy cao
và giảm hiệu suất gia nhiệt của hệ thống bơm nhiệt dạng phun hơi nguồn nhiệt khơng khí với
môi chất lạnh R32. “Flash tank” cũng được nghiên cứu và được ứng dụng để tránh dòng chảy
hai pha trong các ống thu năng lượng mặt trời của hệ thống tạo hơi trực tiếp cho một nhà máy
phát điện bằng năng lượng mặt trời [22]. Hệ thống phun hơi môi chất với máy nén roto biến
tần sử dụng bộ flash tank cho bơm nhiệt, qua nghiên cứu thực nghiệm, cho giá trị hiệu suất

nhiệt vượt trội hơn so với hệ thống nén hơi thông thường. Cụ thể là công suất nhiệt tăng từ
9.1 đến 29.5, COP nhiệt tăng 5.35% đến 7.89%, dưới nhiệt độ môi trường T = -10oC [23].
Trong các nghiên cứu của Yin Junlian và các cộng sự [24,25] đã khẳng định rằng bộ phân
tách khí – lỏng đóng một vai trị quan trọng trong hệ thống loại bỏ khí phân hạch cho các lị
phản ứng Muối Thorium Molten. L.E. Ortiz-Vidal và các cộng sự [26] cũng nhấn mạnh tầm
quan trọng của thiết bị tách khí – lỏng này trong một nghiên cứu mới đây về lĩnh vự dầu – khí
đốt đối với hoạt động của máy bơm điện chìm. Ma Guo-Yuan và các cộng sự [27] chỉ ra rằng
hệ thống bơm nhiệt có sử dụng bộ tách hơi và máy nén xoắn hoạt động hiệu quả hơn so với
cùng hệ thống sử dụng bộ quá lạnh, bên cạnh đó nhiệt độ đầu đẩy máy nén có sử dụng bộ
flash thấp hơn nhiều so với hệ thống bơm nhiệt truyền thống. Jun Li, Pega Hrnjak [28] đã chỉ
ra rằng khi diện tích bề mặt ngưng tụ và tổng diện tích trao đổi nhiệt khơng đổi thì việc tách
hiệu quả dịng chảy hai pha trong bình ngưng có khả năng cải thiện hiệu suất truyền nhiệt.
Jun Li và cộng sự [29,30] đã chứng minh bằng mơ hình thực nghiệm việc cải thiện hiệu
suất thiết bị ngưng tụ bằng việc tách pha, đồng thời có thể quan sát thấy sự tách hai pha lỏng
– hơi này. Shikazono và cộng sự [31] đã phát triển một loạt các thiết bị tách hơi - lỏng nhỏ
gọn sử dụng lực căng bề mặt, chủ yếu cho hệ thống bơm nhiệt R410A với bộ trao đổi nhiệt

8

Luan van


ống trịn thơng thường. Milosevic và Hrnjak [32] và sau đó, hai nghiên cứu của Hanfei Tuo,
Hrnjak [33,34] đã giới thiệu các thiết bị tách lỏng – hơi loại T ba ngã dọc (Hình 1.3).

Hình 1.3: Bộ tách lỏng - hơi loại T
Theo sau đó là rất nhiều các nghiên cứu về thiết bị tách lỏng – hơi loại T ba ngã. Nan
Zheng và các cộng sự [35] nghiên cứu thực nghiệm về việc tách pha hỗn hợp zeotropic
R134a/R245fa và R290/R600a tại một ngã ba va đập dọc (impacting T-junction). Ảnh hưởng
của vận tốc khối lượng đầu vào, chất lượng hơi, tỷ lệ phân chia và thành phần hỗn hợp đến

hiệu suất tách pha lỏng – hơi cũng được điều tra. Pei Lu và các cộng sự [36], tiếp đó là Wen
Su và các cộng sự [37] cũng mô phỏng sự tách hai pha của môi chất lạnh loại T ba ngã nằm
ngang và ảnh hưởng của thông số đầu vào của các môi chất khác nhau được điều tra bằng
cách sử dụng mơ hình thực. Ahmed Saieed và các cộng sự [38] đã khảo sát thực nghiệm về
ảnh hưởng của tỷ lệ đường kính trên dịng chảy tách hai pha trong một thiết bị loại T ba ngã.
Pei Lu và các cộng sự [39] phân tích tổn thất áp suất trong T ba ngã và ảnh hưởng của nó đến
hiệu quả chu trình nhiệt động lực học. Trong một nghiên cứu mới đây của Yueming Lia, Pega
Hrnjak [40] đã đề xuất chiến lược điều khiển mới cho hệ thống điều hịa khơng khí sử dụng
mơi chất R134a trong ơ tô ở chế độ FGB. Với đề xuất này, họ sử dụng van điện từ để điều
khiển quá lạnh ở đầu ra của dàn ngưng và một van bypass cho quá nhiệt ở đầu vào máy nén.
Kết quả thực nghiệm được cho là rất đáng tin cậy trong điều khiển hệ thống. Ngồi ra nghiên
cứu này cũng đưa ra kích thước thích hợp cho van bypass và bình FGB.

9

Luan van


Từ các dẫn chứng đã được trình bày ở trên, ta có thể thấy rằng việc nghiên cứu giải pháp
sử dụng bình tách hơi để nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống làm lạnh nước thực sự
quan trọng và có ý nghĩa rất lớn.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Đối với hệ thống lạnh hiện nay, có nhiều nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả làm lạnh
của hệ thống cũng như tiết kiệm năng lượng. PGS. TS Nguyễn Đức Lợi [41] đã nghiên cứu
tiết kiệm năng lượng và cải thiện khả năng khử ẩm cho phòng điều hòa nhờ AHU với dàn
nước hồi nhiệt. Trong nghiên cứu này đã chỉ ra rằng AHU có dàn nước hồi nhiệt tiết kiệm
được 26 % năng suất lạnh và hoàn toàn không tốn điện cho điện trở sưởi. Đặng Trần Thọ
cùng Đặng Thế Hùng [42] tiến hành nghiên cứu chế tạo máy lạnh hấp thụ sử dung nhiệt thải
và năng lượng măt trời. Mơ hình thực nghiệm này được thực hiện trên máy lạnh hấp thụ công
suất 9000 Btu/h, dùng cặp mơi chất NH3/H20, tận dụng nguồn nhiệt khói thải kết hợp với

năng lương mặt trời. Trương Minh Thắng [43] đã chứng minh tiết kiệm năng lượng với hỗn
hợp môi chất lạnh không đồng sôi và các khả năng khác. Bài báo này giới thiệu về đặc điểm
của hỗn hợp môi chất lạnh khơng đồng sơi và ứng dụng của nó trong kỹ thuật lạnh như khả
năng điều chỉnh năng suất lạnh và tạo ra độ lạnh sâu chỉ dùng một máy nén một cấp, đặc biệt
khả năng tiết kiệm năng lượng của hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi trong chu trình máy
lạnh hoạt động theo nguyên lý của chu trình Lorenz.
Từ các dẫn chứng nêu ở trên, có thể thấy rằng việc nghiên cứu nâng cao COP cho hệ thống
làm lạnh nước bằng giải pháp sử dụng bộ tách hơi là rất cần thiết không chỉ riêng đối với hệ
thống mà cịn có ý nghĩa trong sự phát triển nghiên cứu khoa học kỹ thuật trong nước. Đồng
thời cũng chỉ ra rằng mục tiêu và phạm vi đề tài này là chưa được thực hiện.

1.3 Tính cấp thiết của đề tài
Từ kết quả khảo sát tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước có liên quan đến lĩnh vực
nghiên cứu của đề tài đã chỉ ra mục tiêu và nội dung nghiên cứu chưa được thực hiện. Đồng
thời đề tài đáp ứng mục tiêu tiết kiệm năng lượng cho máy lạnh nén hơi, điều này mang nhiều
ý nghĩa trong việc tiết kiệm năng lượng và đáp ứng tính cấp thiết hiện nay.

1.4 Mục tiêu đề tài
Nâng cao COP cho hệ thống lạnh có sử dụng máy lạnh nén hơi bằng thực nghiệm với giải
pháp flash gas bypass.
10

Luan van


1.5 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Cách tiếp cận
Từ các nghiên cứu liên quan, đi đến nghiên cứu một đối tượng cụ thể. Từ các nghiên
cứu liên quan đã được cơng bố trên các tạp chí uy tín trên thế giới đã được xếp hạng như SCI,
SCIE hay EI, tác giả thực hiện một nghiên cứu tổng quan những đối tượng liên quan đến đề

tài, từ đó thấy được những vấn đề các nghiên cứu trước đã giải quyết, những vấn đề chưa giải
quyết và cần giải quyết.
1.5.2. Phương pháp nghiên cứu
Từ kết quả nghiên cứu tổng quan, tác giả nghiên cứu đưa ra đối tượng nghiên cứu, tính
tốn thiết kế hệ thống thí nghiệm, thu thập và xử lý dữ liệu thực nghiệm để từ đó phân tích
kết quả đạt được.

1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.6.1 Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống lạnh có dử dụng máy lạnh nén hơi.
1.6.2 Phạm vi nghiên cứu
Hệ thống lạnh sử dụng môi chất R134a, công suất máy nén nhỏ hơn hoặc bằng 1HP.

1.6 Nội dung nghiên cứu
- Xác định mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu.
- Nghiên cứu các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước có liên quan đến lĩnh vực đề
tài đang nghiên cứu.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu.
+ Tình tốn thiết kế
+ Xây dựng hệ thống thí nghiệm
+ Thực nghiệm và xử lý dữ liệu
- Phân tích kết quả đạt được
- Cơng bố sản phảm đề tài.

11

Luan van


CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM

2.1. Cơ sở lý thuyết về chu trình máy lạnh 1 cấp có quá lạnh và quá nhiệt
2.1.1. Sơ đồ và nguyên lý làm việc

II
3
2

4

I

III
5

1
6
IV
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý

(I) Máy nén, (II) Thiết bị ngưng tụ, (III) Van tiết lưu, (IV) Thiết bị bay hơi
Hơi quá nhiệt có áp suất thấp và nhiệt độ thấp trạng thái (1) được máy nén hút về và thực
hiện quá trình nén đoạn nhiệt đẳng entropy tiêu thụ một ngoại công lmn trở thành hơi quá nhiệt
có áp suất cao nhiệt độ cao trạng thái (2), rồi đi vào thiết bị ngưng tụ nhả nhiệt cho mơi trường
giải nhiệt, thực hiện q trình ngưng tụ đẳng áp trở thành lỏng hoàn toàn trạng thái (3) rồi tiếp
tục nhả nhiệt thêm cho môi trường giải nhiệt trở thành lỏng quá lạnh trạng thái (4) khi rời
khỏi thiết bị ngưng tụ đến trước van tiết lưu. Lỏng có áp suất cao trạng thái (4) qua van tiết
lưu thực hiện quá trình tiết lưu đoạn nhiệt đẳng enthalpy trở thành hơi bão hịa ẩm có áp suất
thấp nhiệt độ thấp trạng thái (5) rổi đến thiết bị bay hơi nhận nhiệt từ môi trường cần làm lạnh
thực hiện quá trình bay hơi đẳng áp đẳng nhiệt trở thành hơi bão hịa khơ hồn tồn trạng thái
(6) rồi tiếp tục nhận thêm nhiệt lượng từ môi trường cần làm lạnh để trở thành hơi quá nhiệt

có áp suất thấp, nhiệt độ thấp trạng thái (1) rồi lại tiếp tục được máy nén hút về. Chu trình cứ
thế tiếp diễn.

12

Luan van


2.1.2. Đồ thị và các cơng thức tính tốn chu trình

lgp-h

2

4

3

1

6

5

h
Hình 2.2: Đồ thị lgp-h

T

2

3
4
1
6

5

s
Hình 2.3: Đồ thị T-s
1-2 là quá trình nén đoạn nhiệt đẳng entropy; 2-3 là quá trình ngưng tụ đẳng áp; 3-4 là
quá trình nhả nhiệt đẳng áp; 4-5 là quá trình tiết lưu đoạn nhiệt đẳng enthalpy; 5-6 là quá
trình bay hơi đẳng áp đẳng nhiệt; 6-1 là q trình nhận nhiệt đẳng áp.
Tính tốn chu trình lý thuyết cho 1kg mơi chất lạnh tuần hoàn qua thiết bị bay hơi.
Gọi hi [kJ/kg] là enthalpy tương ứng trạng thái thứ i trên đồ thị lgp-h và T-s.
Công riêng cấp cho máy nén:
l = h1 – h2 (kJ/kg)

(2.1)

13

Luan van


Nhiệt lượng riêng nhả ra ở thiết bị ngưng tụ:
qk = h2 – h4 (kJ/kg)

(2.2)

Nhiệt lượng riêng nhận được ở thiết bị bay hơi:

qo = h1 – h5 (kJ/kg)

(2.3)

Hệ số làm lạnh:



qo
l

(2.4)

2.2. Cơ sở tính tốn thiết kế
2.2.1. Cơ sở tính tốn cơng suất các thiết bị chính
Gọi G (kg/s) là lưu lượng mơi chất tuần hồn qua thiết bị bay hơi
Công suất lạnh của thiết bị bay hơi:
Qo = G.qo

(kW)

(2.5)

(kW)

(2.6)

Công suất máy nén:
L = G.l

Công suất thiết bị ngưng tụ:
Qk = G.qk

(kW)

(2.7)

Hệ số cấp của máy nén:
  i .w

i 

p0   p 0
p0

(2.08)

1


m
p


p0   p 0 


k
pk


 
 c 

p
p0 
0




Trong đó:
𝜆𝑤 : Tổn thất do hơi hút vào xilanh bị đốt nóng
po: Áp suất tại thời điểm môi chất sôi, po = 3,496 bar = 0,3496 MPa;
pk: Áp suất ngưng tụ, pk = 11,597 bar = 1,1597 MPa;
Lấy ∆𝑝𝑜 = ∆𝑝𝑘 = 0,005



0,01 MPa, chọn 0,01 MPa
14

Luan van

(2.09)


m = 0,9 ÷ 1,01 đối với máy nén Freon, chọn giá trị nguyên m = 1
c: Tỷ số thể tích chết, c = 0,03  0,05, chọn giá trị trung bình c = 0,04
2.2.2. Tính tốn thiết kế thiết bình bay hơi làm lạnh nước
Lưu lượng nước tuần hồn qua thiết bị bay hơi:

mw 

Qo
c pw t w1  t w 2 

(kg/s)

(2.10)

Trong đó:
cpw: Nhiệt dung riêng đẳng áp của nước (kJ/kg.K)
tw1, tw2: Nhiệt độ của nước trước và sau khi vào thiết bị bay hơi (oC)
Giá trị tiêu chuẩn Nusselt:
Nu = C.Rem.Pr0,36

(2.11)

Trong đó:
C: Hằng số
Re: Tiêu chuẩn Reynold
m: Gía trị phụ thuộc vào Re
Pr: Tiêu chuẩn Prandlt
Giá trị Reynold:
Re =

𝜔𝑑𝑜

(2.15)

𝜈

Trong đó:
⍵: Tốc độ dịng nước hoặc mơi chất (m/s)
do: Đường kính ngồi của ống đồng (m)
ν: Độ nhớt động học
Cường độ tỏa nhiệt về phía nước:
𝛼1 =

𝑁𝑢.𝜆
𝑑𝑜

(W/m2)

(2.16)

Với λ: Hệ số dẫn nhiệt của nước (W/m.K)
15

Luan van


Cường độ tỏa nhiệt về phía mơi chất:
𝛼2 = 𝐴1 .

1,4
𝑣𝑚

(W/m2)

𝑑𝑖0,54

(2.17)

Trong đó:
1

vm: Tốc độ khối lượng, với vm = ρ𝜔 =
A1: Hệ số, A1 =

32
𝑐 7 .𝜇

, với c =

𝑡𝑜 +273
𝑡𝑏 +273

0,01867

=

. 1,06 = 58,38 kg/m3

5+273

−26,2+273

= 1,125 (to: nhiệt độ sôi của môi

chất trong thiết bị; tb: nhiệt độ điểm sôi tiêu chuẩn, oC; 𝜇: phân tử lượng của môi

chất, 𝜇 = 102; A1 =

32
1,1257 .102

= 0,1375

di : Đường kính trong của ống (m)
Hệ số truyền nhiệt k:
𝑘=

1

(2.18)

1 𝛿 1
+ +
𝛼1 𝜆 𝛼2

Trong đó:
𝛿: Chiều dày vách, 𝛿 = 0,5. (𝑑𝑜 − 𝑑𝑖 ) = 0.7 mm
𝜆: Hệ số dẫn nhiệt của đồng, 𝜆𝐶𝑢 = 383 W/m.độ
Số ống trong 1 pass:
𝑛1 =

4𝐺
𝜌.𝜔1 .𝜋.𝑑𝑖2

(ống)

(2.19)

Trong đó:
ρ: Khối lượng riêng của mơi chất (kg/m3)
𝜔1 : Tốc độ mơi chất trong ống (m/s)
Tính chiều dài 1 ống
𝑙=

𝐹
𝜋𝑑𝑜 𝑛1

(m)

(2.20)

Với F: Diện tích trao đổi nhiệt (m2)
Số lượng ống bố trí trên đường chéo hình lục giác:
𝑛𝑐 = 0,75. (

𝐹

1

1 )3 (ống)

𝑑𝑜 .𝑛

(2.21)

𝑐

16

Luan van


Đường kính trong của vỏ:
𝐷𝑖 = 𝑛𝑐 . 𝑠 (m)

(2.22)

Với s: Bước ống
Số lượng ống tương đương theo chiều rộng chùm ống:
𝑛𝑡đ = 1,04.

√𝜋
2

𝑑

𝑛𝑐 0,5 ( 𝑜 )0,5 (ống)

(2.23)

𝑑𝑖

Tiết diện thống của chất tải lạnh:
𝑓′ =

𝑉𝑤

𝜔𝑤

=

𝑄𝑜
𝑐𝑝𝑤 ∆𝑡𝑤 𝜌𝑤 𝜔𝑤

(m2)

(2.24)

Trong đó:
cpw: Nhiệt dung riêng đẳng áp của nước
∆𝑡𝑤 : Độ chênh nhiệt độ của nước (oC)
ρw: Khối lượng riêng thể tích của nước (kg/m3)
Vw: Lưu lượng thể tích của chất lỏng qua mặt cắt (m3/s)
Khoảng cách giữa các tấm chắn hướng dòng dọc theo chiều dài ống:
𝑙=

𝑓′
𝑛𝑡đ (𝑠−𝑑0 )

(m)

(2.25)

Trở lực nối ống vào và ra thân vỏ bọc
∆𝑝𝑛 = 𝜉.

𝜌𝑤 𝜔 2

2

(Pa)

(2.26)

Với 𝜉: giá trị hệ số trở kháng cục bộ
Trở lực lưu động dọc (do ma sát)
𝐿

𝜔2

𝑑

2

∆𝑝𝑚 = 𝜉. . 𝜌𝑤 .

(Pa)

(2.27)

Trở lực chảy vòng qua lỗ khuyết tấm chắn
∆𝑝𝑏 = 0,103. 𝜌𝑤 . 𝜔𝑏2 (Pa)

(2.28)

Với 𝜔𝑏 : Tốc độ nước chảy dọc qua chùm ống (m/s)
Trở lực lưu động ngang qua chùm ống

17

Luan van


𝜉′ =

0,75

(2.29)

𝑆−𝑑

[𝑅𝑒.( 𝑑 𝑜 )]0,7
𝑜

∆𝑝𝑐 = 2. 𝑛𝑐 . 𝜉 ′ 𝜌𝑤 𝜔𝑐 2 (Pa)

(2.30)

𝐹𝑐 = (𝐷𝑖 − 𝑛𝑐 . 𝑑𝑜 ). 𝑆 (m2)

(2.31)

𝜉 ′: Gía trị hệ số trở kháng khi chảy rối
𝜔𝑐 : Tốc độ nước chảy ngang qua chùm ống (m/s)
Năng suất lạnh Qo tính chuyển từ năng suất lạnh tiêu chuẩn QoTC ra:
𝑄𝑜 = 𝑄𝑜𝑇𝐶 .

𝑞𝑣 .𝜆

(2.32)

𝑞𝑣𝑇𝐶 .𝜆𝑇𝐶

2.2.3 Tính tốn cho thiết bị ngưng tụ
Lượng nhiệt cần trao đổi theo lí thuyết ở thiết bị ngưng tụ:
Qk= G0.qk

(kW)

(2.33)

Diện tích mặt ngồi của ống trơn ứng với 1 mét ống:
𝐹𝑜 = 𝜋. 𝑑𝑜

(2.34)

(m2)

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của cánh ứng với 1 mét ống:
𝐹𝑐 =

1
𝑆𝑐

𝜋

1

4

𝑆𝑐

. 2. (𝐷𝑐2 − 𝑑𝑜2 ) +

. 𝜋𝐷𝑐 . 𝛿𝑐 (m2)

(2.35)

Trong đó:
SC: Bước cánh (m)
DC: Đường kính ngồi của cánh (m)
𝛿𝑐 : Chiều dày cánh (m)
Diện tích bề mặt ngồi ống khơng có cánh ứng với 1 mét ống:
𝐹𝑜𝑐 = 𝜋𝑑𝑜 .

𝑆𝑐 −𝛿𝑐
𝑆𝑐

(2.36)

(m2)

Tổng diện tích bề mặt ngồi ứng với 1 mét ống:
𝐹 = 𝐹𝑐 + 𝐹𝑜𝑐 (m2)

(2.37)

Cường độ tỏa nhiệt về phía khơng khí:

′
𝛼𝑘𝑘
=

𝜆
𝑑𝑜

𝐹

𝑅𝑒20,625 ( )−0,375𝑃𝑟20,33 (W/m2K)
𝐹𝑜

18

Luan van

(2.38)