Hcmute nghiên cứu lý thuyết xác định năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí co2 theo thời gian

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

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH NĂNG SUẤT
LẠNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ CO2
THEO THỜI GIAN
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: SV2020-02

S KC 0 0 7 3 7 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2020

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH NĂNG SUẤT LẠNH CỦA
HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ CO2 THEO
THỜI GIAN
Mã số đề tài: SV2020-02

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Hữu Hưng

TP Hồ Chí Minh, 07/2020

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH NĂNG SUẤT LẠNH
CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ CO2 THEO THỜI GIAN
Mã số đề tài: SV2020-02
Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa học kỹ thuật
SV thực hiện:

Nguyễn Hữu Hưng
Đinh Sĩ Tân

Nam, Nữ: Nam
Nam, Nữ: Nam

Dân tộc: Kinh
Lớp, khoa: Lớp 161470, khoa CKĐ

Năm thứ: 4/Số năm đào tạo: 4 năm

Ngành học: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt
(Ghi rõ họ và tên SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài)
Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn, PGS. Đặng Thành Trung

TP Hồ Chí Minh, 07/2020

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

MỤC LỤC
MỤC LỤC .......................................................................................................................1
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................3
DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .........................................................................................5
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ...............................................7
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .........................................................................................10
1.1 Lý do chọn đề tài ..................................................................................................10
1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước ........................................................................11
1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước .........................................................................21
1.4 Mục đích chọn đề tài ............................................................................................22
1.5 Phương pháp thực hiện đề tài ...............................................................................22
1.6 Giới hạn đề tài ......................................................................................................23
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................24
2.1 Cơ sở truyền nhiệt ................................................................................................24
2.1.1 Dẫn nhiệt ........................................................................................................24
2.1.2 Trao đổi nhiệt đối lưu ....................................................................................25
2.1.3 Trao đổi nhiệt bức xạ .....................................................................................25
2.2 Tổng quan về môi chất R744-CO2 .......................................................................26
2.1.1 Đặc điểm của CO2..........................................................................................26
2.2.2 Tính chất của mơi chất lạnh R744-CO2 .........................................................27
2.2.3 Ưu nhược điểm của môi chất CO2 .................................................................29
2.3 Cơng thức tính tốn liên quan ..............................................................................29
CHƯƠNG 3: MÁY VÀ THIẾT BỊ HỆ THỐNG..........................................................31
3.1 Máy nén ................................................................................................................31
3.2 Thiết bị bay hơi kênh mini ...................................................................................32
3.3 Thiết bị ngưng tụ ..................................................................................................33
3.4 Van tiết lưu ...........................................................................................................35
CHƯƠNG 4: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG

KHÍ CO2 ........................................................................................................................36
1

SV2020-02

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

4.1 Tính tốn thiết bị ngưng tụ ...................................................................................36
4.2 Tính tốn thiết bị bay hơi .....................................................................................42
4.3 Tính tốn năng suất lạnh của hệ thống theo lý thuyết..........................................50
4.4 Kết quả thực nghiệm ............................................................................................51
4.5 Nhận xét kết quả thực nghiệm: ............................................................................53
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................54
5.1. Kết luận ...............................................................................................................54
5.2. Kiến Nghị ............................................................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................55
PHỤ LỤC ......................................................................................................................59

2

SV2020-02

Luan van

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Đồ thị biểu diễn các mối tương quan [20].....................................................20
Hình 2.1. Đồ thị trạng thái của CO2 ..............................................................................26
Hình 2.2. Đồ thị T-s của mơi chất R744........................................................................28
Hình 2.3. Đồ thị p-h mơi chất R744 ..............................................................................28
Hình 2.4. Sơ đồ ngun lý hệ thống điều hịa khơng khí CO2 ......................................30
Hình 3.1. Máy nén Dorin CD 200 – Model 180H .........................................................31
Hình 3.2. Các thơng số kích thước dàn mini .................................................................33
Hình 3.3. Mơ hình thiết bị ngưng tụ kiểu ngập .............................................................33
Hình 3.4. Tấm làm mát Cooling Pad .............................................................................34
Hình 3.5. Hình thực tế thiết bị ngưng tụ kiểu ngập .......................................................35
Hình 3.6. Van tiết lưu Danfoss ......................................................................................35
Hình 4.1. Chu trình điều hịa khơng khí của mơi chất lạnh R744 trên đồ thị logp-h ....37
Hình 4.2. Quá trình trao đổi nhiệt ngưng tụ giữa nước và CO2 ....................................39
Hình 4.3. Đồ thị thể hiện sự liên hệ giữa đường kính thủy lực với hệ số truyền nhiệt .47
Hình 4.4. Biến thiên nhiệt độ tại dàn bay hơi ................................................................49

3

SV2020-02

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Các GWP của môi chất lạnh gốc HCFC [17] ...............................................19
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật dàn bay hơi kênh Mini .....................................................32
Bảng 4.1. Thông số lý thuyết chu trình điều hịa khơng khí CO2 .................................36
Bảng 4.2. Thơng số thực nghiệm chạy hệ thống ngày 04-06-2020...............................51
Bảng 4.3. Thông số nhiệt động tại các điểm nút của chu trình .....................................52
Bảng 4.4. Kết quả tính tốn thực nghiệm của chu trình ................................................52
Bảng 4.5 Bảng so sánh kết quả tính tốn lý thuyết và thực nghiệm .............................53
Bảng 5.1. Tính chất vật lý của CO2 ở thể lỏng và hơi trên đường bão hòa ..................59

4

SV2020-02

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

DANH MỤC CÁC 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]

5

SV2020-02

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

T: Nhiệt độ Kenvin [K]
v: Thể tích riêng [m3]

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 môi chất lạnh gốc điển hình
như HFC134A (R134a), HFC410A (R410A).
COP: (Coeffcient Of Performance) Hệ số hiệu quả năng lượng.

6

SV2020-02

Luan van


ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu lý thuyết xác định năng suất lạnh của hệ thống điều hòa khơng
khí CO2.
- Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Hữu Hưng

Mã số SV: 16147149

- Lớp: 161470B Khoa: Cơ Khí Động Lực
- Thành viên đề tài:
STT

Họ và tên

MSSV

Lớp

Khoa

1

Đinh Sĩ Tân

16147190

161470B

Cơ khí động lực

- Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn, PGS.TS Đặng Thành Trung
2. Mục tiêu đề tài:
- Tìm hiểu về các tính chất của mơi chất lạnh CO2.
- Tính tốn, xác định năng suất lạnh của hệ thống điều hịa khơng khí sử dụng mơi
chất lạnh là CO2 dùng dàn lạnh kênh mini.
- Phân tích và tạo ra nguồn tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên về lĩnh vực truyền
nhiệt môi chất CO2 - Một hướng đi mới của ngành Cơng Nghệ Kỹ thuật Nhiệt.
3. Tính mới và sáng tạo:
- Công nghệ kênh mini là hướng nghiên cứu mới nhằm thu gọn kích thước và tăng
hiệu quả làm việc của các bộ trao đổi nhiệt.
- Nghiên cứu về môi chất CO2 là một hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực tiết kiệm
năng lượng và bảo vệ môi trường.
4. Kết quả nghiên cứu:
- Nhóm đã nghiên cứu, tính tốn và xác định năng suất lạnh của hệ thống điều hịa
khơng khí CO2 dùng dàn lạnh kênh mini theo phương pháp lý thuyết.

7

SV2020-02

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và

khả năng áp dụng của đề tài:
- Bài nghiên cứu của nhóm có thể sử dụng làm nguồn tài liệu cho các nhóm nghiên
cứu sau trong lĩnh vực nghiên cứu thiết bị kênh mini, môi chất lạnh CO2.
- Kết quả nghiên cứu cũng có thể được sử dụng cho các nghiên cứu sau để góp phần
thu gọn kích thước của các thiết bị trao đổi nhiệt.
6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài
TP. Hồ Chí Minh. Ngày

tháng

năm

SV chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(kí, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề
tài:
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Ngày
tháng
năm
Người hướng dẫn
(kí, họ và tên)

8

SV2020-02

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

LỜI MỞ ĐẦU
Trước tiên, xin phép quý thầy cô cho nhóm sinh viên thực hiện đề tài gửi lời cảm ơn
đến Thầy Nguyễn Lê Hồng Sơn, Thầy Đặng Thành Trung và Cơ Võ Kim Hằng đã tận
tình hướng dẫn trong q trình thực hiện đề tài của nhóm.
Với mục đích Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh của hệ thống điều hịa khơng khí
CO2. Từ đó đánh giá, so sánh và kết luận kết quả đạt được.
Dựa trên cơ sở tài liệu báo cáo nghiên cứu khoa học và các đề tài nghiên cứu trong
và ngoài nước về lĩnh vực môi chất lạnh CO2 và dàn lạnh kênh mini đã thúc đẩy nhóm
tiến hành nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh của hệ thống điều hịa khơng khí CO2 theo
thời gian, góp phần giải quyết yêu cầu tiết kiệm năng lượng cũng như ảnh hưởng của
môi chất lạnh đến môi trường hiện nay trên thế giới. Bài báo cáo này dựa trên kiến thức
của các bài báo khoa học trong và ngoài nước cùng với cơ sở tài liệu báo cáo nghiên
cứu khoa học tham khảo được từ nhóm nghiên cứu trước, nhóm em đã tính tốn các
thơng số cần thiết và tìm ra năng suất lạnh của hệ thống điều hịa khơng khí dùng mơi
chất lạnh CO2 . Đồng thời chúng em cũng đem kết quả tính tốn được so sánh với một
mơ hình thực nghiệm tại phịng thí nghiệm – Xưởng nhiệt Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh.
Nhóm chúng em hi vọng với bài báo cáo này sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích cho
những nghiên cứu tiếp theo về ứng dụng tính tốn năng suất lạnh phù hợp vào thiết bị

trao đổi nhiệt trong hệ thống lạnh nhằm tiết kiệm năng lượng, nâng cao hiệu suất hệ
thống góp phần bảo vệ mơi trường.
Trong q trình làm nghiên cứu lý thuyết này, chắc chắn khơng tránh khỏi những
thiếu sót. Nhóm chúng em rất mong nhận được những nhận xét và ý kiến bổ ích từ q
thầy cơ

9

SV2020-02

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

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 tịa 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.
Môi chất lạnh hay còn 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 môi trường, không cháy nộ, dễ dàng
phát hiện khi rò 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 mơi 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
cũng đạt tới hàng nghìn như HFC134a là 1.600, HFC410A là 2.340.
Nắm bắt được xu hướng đó các nhà khoa học đã không 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 làm
mát 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 làm mát ống micro 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
10

SV2020-02

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

chất lạnh hiện nay thì lượng Flourocarbon sẽ giảm và lượng CO2 bên ngồi mơi trường
sẽ giảm đi.

Nhằm góp phần cho những giải pháp này, nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài
Nghiên cứu lý thuyết năng suất lạnh của hệ thống điều hịa khơng khí CO2 theo thời gian
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
11

SV2020-02

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

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 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 sốt 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 hòa khơng khí vào giải
nhiệt thiết bị cơng nghệ thơng 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
12

SV2020-02

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

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 năng tiêu
thụ của một hệ thống điều hòa 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 thơng 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 dòng 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 tròn
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 môi 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 mơi 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 môi 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 vàcông suất yêu 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
13

SV2020-02

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

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 có
sẵn. Bởi vì áp suất cao khơng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh, việc
sử dụng tất cả hàm điều khiển gần đúng dẫn đến COP thấp hơn một chút. Nó sẽ cũng
được đề cập cho thiết bị nhiệt hoặc một máy nén khác, các hệ số trong phương trình (4)
trở nên khác nhau.
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 môi chất R404A thì hệ thống lạnh sử dụng mơi
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 còn 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 mơi
trường khí hậu ở Châu Âu, mơi chất R774 đã chứng mình về những tiềm năng của bản
thân trong ngành công 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 thơng 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 mơ phỏng cho các thơng số khác nhau được
điều khiển để điều tra hiệu suất chu trình. Duy trì các thơng 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. Mô 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.
14

SV2020-02

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

Nguyen B. Chien [11] các cộng sự của mình đã chứng minh thành cơng hệ số truyền
nhiệt hai phacủa dịng sôi của R32 (difluoromethane), CO2 (carbon dioxide) và R290
(propan) trong minichannel. Dữ liệu thực nghiệm được tiến hành trong các ống thép
khơng gỉ nằm ngang với đường kính trong là 1,5mm. Các điều kiện thử nghiệm được
thực hiện với nhiệt độ bão hịa được cố định ở 10ºC, thơng 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 thơng lượng khối lượng có tác dụng nhỏ trên hệ số truyền nhiệt của cả R32 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 cơng
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
15

SV2020-02

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

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%.
Santosa [14] 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 Mô 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 mô 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
16

SV2020-02

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

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 môi 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
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 không 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 kilowattgiờ phát điện, và giảm thiểu lượng khí thải carbon, gây ra sự đổi mới của nhiều cơng
nghệ tiết kiệm năng lượng. Lộ trình đã đưa ra một số thông 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 ơng [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
17

SV2020-02

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

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
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 tròn 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.
18

SV2020-02

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

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 kilowattgiờ phát điện, và giảm thiểu lượng khí thải carbon, gây ra sự đổi mới của nhiều công
nghệ tiết kiệm năng lượng. 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.
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 [17]
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
19

SV2020-02

Luan van

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

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
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.

Hình 1.1: Đồ thị biểu diễn các mối tương quan [20]
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
20

SV2020-02

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

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 tốn 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, 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. Còn 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.
ThS. Nguyễn Trọng Hiếu cùng các cộng sự [29] nghiên cứu về môi chất CO2 được
sử dụng trong thiết bị bay hơi kênh micro và đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi
21

SV2020-02

Luan van


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2020

ThS. Nguyễn Lê Hồng Sơn

này được xác định bằng phương pháp mô phỏng số. Một số kết quả về trường nhiệt độ,
trường vận tốc và áp suất đã được thể hiện. Nhiệt độ đầu ra của CO2 trong trường hợp
1,6 g/s cao hơn giá trị thu được trong trường hợp 3,2g/s. Bên cạnh đó, tổn thất áp suất
qua thiết bị bay hơi kênh micro là không đáng kể, từ 38,164 bar xuống 38 bar. Thêm
vào đó, các kết quả này đồng thuận với các nghiên cứu liên quan.
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 đích chọn đề tài
Thơng qua các bài báo khoa học, các cơng trình nghiên cứu liên quan đã định hướng
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 theo thời gian
dùng dàn lạnh kênh mini theo phương pháp lý thuyết.
1.5 Phương pháp thực hiện đề tài
Phương pháp tổng quan tài liệu: tổng hợp các cơng trình nghiên cứu có liên quan, từ
đó đưa ra động lực nghiên cứu của đề tài, mục tiêu nghiên cứu, xác định được đối tượng,
phạm vi nghiên cứu.
Phương pháp lý thuyết: Phân tích, tính tốn, sử dụng phần mềm, kiểm tra và so sánh
thông số chạy thực nghiệm dàn lạnh CO2 kênh mini từ xưởng Nhiệt.
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.
22

SV2020-02

Luan van