thiết kế ejector và nghiên cứu dòng động học môi chất r1234yf

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (9.79 MB, 89 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH</b>

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT </b>

<b>Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2024 </b>

<b>THIẾT KẾ EJECTOR VÀ NGHIÊN CỨU DÒNG ĐỘNG HỌC MÔI CHẤT R1234YF </b>

<b> GVHD: TS. NGUYỄN VĂN VŨ </b>

S K L 0 1 2 4 7 9

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC </b>

<b>ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP </b>

<b>CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT </b>

<b>Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Vũ </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Đầu tiên, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM nói chung và bộ môn Công nghệ nhiệt - điện lạnh (thuộc ngành Cơng nghệ kỹ thuật nhiệt) nói riêng đã tận tình giảng dạy và truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập ở trường, những bài học đó là nền tảng tạo bước đệm giúp chúng em có được những kiến thức giá trị để có thể hồn thành đồ án tốt nghiệp.

Đặc biệt, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS. Nguyễn Văn Vũ, người đã trực tiếp hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Cảm ơn Thầy đã luôn sẵn sàng trao đổi với chúng em mọi khi đi vào bế tắc, ln hướng dẫn tận tình, truyền đạt những kinh nghiệm cũng như giải pháp giúp nhóm chúng em đi đúng hướng và giải đáp được những khuất mắt trong quá trình thực hiện đề tài. Cả nhóm xin chúc thầy thật nhiều sức khỏe, ln tràn đầy cảm hứng để dẫn dắt những sinh viên khóa sau.

Xin cảm ơn tập thể lớp 201472A, cảm ơn những người bạn cùng chuyên ngành đã luôn đồng hành và hỗ trợ tinh thần cho chúng mình trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài.

Trong quá trình thực hiện đồ án do kiến thức cịn hạn hẹp nên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, nhóm chúng em kính mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến từ q thầy cơ để bài luận văn được hoàn thiện hơn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Trong bối cảnh những phát triển gần đây trong các lĩnh vực xã hội, khía cạnh liên quan đến tiêu thụ năng lượng và thân thiện mơi trường có tầm quan trọng rất lớn đối với các quốc gia. Trong đó, nhiều ngành cơng nghiệp dựa vào công nghệ làm lạnh bằng môi chất, là một trong những yếu tố chính gây hại đến mơi trường, vì vậy đây là một thách thức lớn cần được giải quyết lâu dài cho tương lai. Về vấn đề này, những nỗ lực hướng tới các hệ thống làm lạnh hiệu quả đã cho thấy sự cần thiết của một thiết kế phù hợp. Phương pháp làm mát được sử dụng phổ biến nhất là dựa trên chu trình nén hơi, mang lại hiệu quả lớn về khả năng làm lạnh nhưng hệ thống lạnh nén hơi có chi phí vận hành khá lớn, lượng điện năng tiêu thụ lớn sẽ kéo theo nhiều vấn đề liên quan đến năng lượng. So với hệ thống làm lạnh nén hơi, hệ thống làm lạnh bằng ejector cho thấy hiệu suất kém hơn, được biểu thị bằng hệ số COP của chu trình, nhưng ngược lại nó đáp ứng được mục đích chính là tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Nhiều nghiên cứu gần đây dần có khả năng cải thiện được vấn đề về hiệu suất.

Nghiên cứu dưới đây, đề cập đến việc phân tích lý thuyết về hệ thống làm lạnh bằng ejector, bắt đầu bằng việc trình bày một thiết kế ejector điển hình. Sau khi mơ tả ngắn gọn về hệ thống được phân tích, các phương trình tải nhiệt và tính tốn hiệu suất được áp dụng, trên cơ sở “Định luật nhiệt động thứ nhất”. Để đạt được hiệu quả cao nhất, phần mềm mô phỏng CFD được đưa vào để kiểm tra và đồng thời thực hiện so sánh kết quả tính tốn này với một số kết quả nghiên cứu, tính tốn đã thực nghiệm và được cơng nhận rộng rãi trước đó.

Mơi chất lạnh làm việc được xem xét trong nghiên cứu này là R1234yf. Một mơi chất thuộc nhóm HFO, nhóm mơi chất mới được đánh giá hiệu quả và thích hợp cho vấn đề môi trường hiện nay. Nhiều nghiên cứu hệ thống lạnh ejector cũng đã thử nghiệm với môi chất R1234yf và đã mang lại một số kết quả nhất định. Đánh giá đây là loại môi chất lạnh có tính chất nhiệt động gần giống như mơi chất lạnh R134a với hệ số COP chênh lệch không đáng kể, đồng thời với môi chất lạnh R1234yf yêu cầu thiết kế hình học ejector có kích thước lớn hơn, phù hợp với cơng nghệ sản xuất cơ khí.

Qua nghiên cứu này, đánh giá kết quả mô hình tốn học lý thuyết khá phù hợp với kết quả mơ hình phân tích CFD. Đồng thời đánh giá được tác động của nhiệt độ sinh hơi, nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ bay hơi có ảnh hưởng đến hiệu suất của chu trình. Và trong nghiên

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

iii cứu này có xét ảnh hưởng của độ q nhiệt dịng chính và dịng phụ cũng tác động đến hiệu suất của chu trình, nhất là độ quá nhiệt ở dòng phụ sẽ làm tăng COP của hệ thống. Vị trí của vịi phun (khoảng cách từ ngõ ra vịi phun đến ngõ vào vùng diện tích không đổi) sẽ được đánh giá qua CFD, và đưa ra một mức ảnh hưởng nhất định đến chu trình. Những kết quả thu được qua nghiên cứu sẽ được trình bày rõ ràng và đầy đủ qua các chương.

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

1.3. Đối tượng nghiên cứu ... 3

1.4. Phương pháp nghiên cứu ... 3

1.5. Phạm vi nghiên cứu ... 3

1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ... 3

1.7. Cấu trúc của đề tài ... 4

<b>CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT EJECTOR VÀ MÔI CHẤT LẠNH . 5</b>2.1. Ejector ... 5

2.2. Lịch sử nghiên cứu và phát triển ... 5

2.3. Phân loại ejector ... 7

2.4. Nguyên lý hoạt động của ejector ... 8

2.5. Điều kiện làm việc và yếu tố hoạt động của ejector ... 11

2.5.1. Điều kiện làm việc ... 11

2.5.2. Yếu tố hoạt động ... 12

2.6. Chu trình lạnh ejector một cấp và điều kiện vận hành ... 13

2.6.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống làm lạnh ejector ... 13

2.6.2. Điều kiện vận hành chu trình ... 15

2.7. Các chỉ số đánh giá ejector ... 15

2.7.1. Tỷ số lôi cuốn ... 16

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

2.9.1. Mơ hình làm lạnh ejector-máy nén sử dụng năng lượng mặt trời ... 17

2.9.2. Chu trình kết hợp ejector-máy nén hơi ... 18

2.10. Sự tác động và các yêu cầu cấp thiết về môi chất lạnh ... 19

2.10.1. Sơ lược về môi chất lạnh ... 19

2.10.2. Thuộc tính lý tưởng của mơi chất lạnh ... 21

2.11. Lựa chọn môi chất lạnh cho hệ thống lạnh ejector ... 21

<b>CHƯƠNG 3. MƠ HÌNH TỐN HỌC ... 23</b>

3.1. Các giả định ... 23

3.2. Mơ tả chi tiết mơ hình tốn học ... 24

3.2.1. Phương trình chủ đạo ... 24

3.2.2. Các thơng số đầu vào ... 25

3.2.3. Dịng chính qua vịi phun ... 26

3.2.4. Dịng chính ra khỏi vịi phun (từ mặt cắt 1-1 đến mặt cắt 2-2) ... 27

3.2.5. Dòng phụ từ ngõ vào buồng hút đến mặt cắt 2-2 ... 27

3.2.6. Diện tích mặt cắt ngang tại mặt cắt 2-2 ... 28

3.2.7. Nhiệt độ và hệ số Mach tại mặt cắt 2-2 ... 28

3.2.8. Dịng hồ trộn tại mặt cắt 3-3 trước khi có hiện tượng shockwave ... 28

3.2.9. Dịng hồ trộn qua vị trí shock wave từ mặt cắt 3-3 đến mặt cắt b-b ... 29

3.2.10. Dòng hồ trộn qua ống khuếch tán ... 29

3.2.11. Cơng thức tính cơng suất của các thiết bị ... 29

3.2.12. Kích thước ejector ... 30

3.3. Xác thực mơ hình tốn học... 31

<b>CHƯƠNG 4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ... 35</b>

4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ sinh hơi ... 35

4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ ... 35

4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi ... 36

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

4.4. Ảnh hưởng của độ quá nhiệt ... 37

4.5. Đánh giá môi chất lạnh R1234yf so với R134a ... 40

<b>CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG EJECTOR LÀM VIỆC TRONG HỆ THỐNG LÀM LẠNH EJECTOR BẰNG PHẦN MỀM ANSYS... 42</b>

5.1. Cơ sở lý thuyết và cài đặt mô phỏng ... 42

5.2. Ảnh hưởng của các chế độ làm việc đến hiệu suất ejector ... 49

5.2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ sinh hơi đến tỷ số lôi cuốn ER của ejector ... 49

5.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ ngưng tụ đến tỷ số lôi cuốn ER của ejector ... 50

5.3. Ảnh hưởng của các yếu tố hình học đến hiệu suất ejector ... 52

5.3.1 Ảnh hưởng đường kính vùng tiết diện khơng đổi ... 52

5.3.2 Ảnh hưởng khoảng cách từ vị trí ngõ ra ống phun đến vùng tiết diện không đổi ... 55

<b>CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ... 58</b>

6.1. Kết luận ... 58

6.2. Kiến nghị ... 59

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

vii

EES: Engineering Equation Solver CAGR: Compound Annual Growth Rate. IEA: International Energy Agency.

NOAA: National Oceanic and Atmospheric Administration. GWP: Global Warming Potential.

ODP: Ozone Depletion Potential.

EPA: Environmental Protection Agency. COP: Coefficient Of Performance. CFD: Computational Fluid Dynamic.

NXP: Nozzle Exit Position – Vị trí ngõ ra ống phun. AR: Area Ratio – Tỷ số diện tích.

ER: Entrainment Ratio – Tỷ số lôi cuốn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

a Ngõ vào vùng diện tích khơng đổi.

Tg Nhiệt độ sinh hơi (<sup>0</sup>C).

Tc Nhiệt độ ngưng tụ (<small>0</small>C).

Te Nhiệt độ bay hơi (<sup>0</sup>C).

𝑚<sub>𝑒</sub> Lưu lượng khối lượng dòng bị cuốn (kg/s). 𝑚<sub>𝑔</sub> Lưu lượng khối lượng dòng cuốn (kg/s).

𝜌 Khối lượng riêng (𝑘𝑔/𝑚<small>3</small>). E Năng lượng tổng (𝐽, 𝑘𝐽). 𝜆 Độ nhớt động lực học (Pa.s). 𝜏 Ứng suất nhớt (Pa).

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

ix 𝜋 Tỷ số nén của ejector.

P<small>c</small> Áp suất ngưng tụ (Pa). P<small>e</small> Áp suất bay hơi (Pa). P<small>g</small> Áp suất sinh hơi (Pa).

P<small>c</small> Áp suất tới hạn vận hành ejector. h Ký hiệu Entanpy (kJ/kg).

P<small>p</small> Áp suất của bơm (Pa).

P<small>v</small> Áp suất sau tiết lưu (Pa).

P<small>d</small> Áp suất ngõ ra ejector (Pa).

T<small>d</small> Nhiệt độ dịng mơi chất tại ngõ ra ejector (<small>0</small>C).

v<small>m</small> Vận tốc dịng hồ trộn (m/s).

v<small>p2</small> Vận tốc dịng chính tại mặt cắt 2-2 (m/s).

v<small>s2</small> Vận tốc dòng phụ tại mặt cắt 2-2 (m/s).

T<small>m</small> Nhiệt độ dịng hồ trộn (<small>0</small>C).

P<small>p2</small> Áp suất dịng chính tại mặt cắt 2-2 (Pa).

P<small>s2</small> Áp suất dòng phụ tại mặt cắt 2-2 (Pa).

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Hình 1.1. Nhu cầu điều hịa khơng khí của thế giới ... 1

Hình 2.1. Sơ đồ phân loại ejector ... 7

Hình 2.2. Hình học và đồ thị phân bố vận tốc và áp suất của ejector ... 10

Hình 2.3. Đồ thị biểu diễn điều kiện làm việc của ejector ... 12

Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý chu trình lạnh ejector ... 14

Hình 2.5. Đồ thị P-h biểu diễn chu trình lạnh ejector ... 15

Hình 2.6. Mơ hình làm lạnh ejector-máy nén sử dụng năng lượng mặt trời ... 18

Hình 2.7. Mơ hình kết hợp ejector-máy nén ... 19

Hình 3.1. So sánh tỷ số lơi cuốn với mơ hình của Rash ... 34

Hình 3.2. So sánh hệ số COP với mơ hình của Rash ... 34

Hình 3.3. So sánh hệ số COP với mơ hình của Yapici ... 35

Hình 4.1: Sự thay đổi tỷ số lôi cuốn và hệ số COP theo nhiệt độ sinh hơi ... 36

Hình 4.2. Sự thay đổi tỷ số lôi cuốn và hệ số COP theo nhiệt độ ngưng tụ ... 37

Hình 4.3. Sự thay đổi tỷ số lôi cuốn và hệ số COP theo nhiệt độ bay hơi ... 38

Hình 4.4. Tỷ số lơi cuốn thay đổi theo độ q nhiệt dịng chính ... 39

Hình 4.5. Hệ số COP thay đổi theo độ quá nhiệt dịng chính ... 39

Hình 4.6. Tỷ số lơi cuốn thay đổi theo độ quá nhiệt dòng phụ ... 40

Hình 4.7. Hệ số COP thay đổi theo độ q nhiệt dịng phụ ... 40

Hình 5.1. Cài đặt mơ phỏng ... 45

Hình 5.2. Cài đặt mơ phỏng ... 46

Hình 5.3. Mơ hình lưới chi tiết ... 47

Hình 5.4. Xác định kích thước Mesh tối ưu ... 47

Hình 5.5. Biểu đồ phân bố áp suất tĩnh của ejector ... 48

Hình 5.6. Biểu đồ phân bố vận tốc của ejector ... 48

Hình 5.7. Biểu đồ thể hiện áp suất tĩnh dọc ejector ... 49

Hình 5.8. Kích thước của ejector ... 50

Hình 5.9. Biểu đồ thể hiện tỷ số lôi cuốn ER khi tăng nhiệt độ sinh hơi ... 51

Hình 5.10. Sự thay đổi tỉ số lôi cuốn ER khi thay đổi nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ sinh hơi và bay hơi lần lượt là 80℃ và 10℃ ... 52

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

xi Hình 5.11. Sự thay đổi tỉ số lôi cuốn ER khi thay đổi nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ sinh

hơi và bay hơi lần lượt là 80℃ và 20℃ ... 53

Hình 5.12. Dạng hình học của ejector khi thay đổi vùng tiết diện không đổi ... 54

Hình 5.13. Ảnh hưởng của tỷ lệ tiết diện đến tỷ số lôi cuốn ER ... 55

Hình 5.14. Dạng hình học của ejector khi thay đổi vị trí ngõ ra ống phun – NXP ... 57

Hình 5.15. Ảnh hưởng của vị trí ngõ ra ống phun đến tỷ số lôi cuốn ER ... 57

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

xii

Bảng 2.1. So sánh giữa hai môi chất lạnh R1234yf và R134a ... 22 Bảng 5.1. Sai số giữa kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm và mơ hình lý thuyết ... 50 Bảng 5.2. Kích thước của ejector được sử dụng để mô phỏng trong trường hợp thay đổi đường kính vùng tiết diện khơng đổi ... 54

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

Hình 1.1. Nhu cầu điều hịa khơng khí của thế giới

Tuy nhiên, thành công của ngành này cũng đi đôi với những tác động tiêu cực. Không chỉ tiêu tốn một lượng năng lượng đáng kể, mà việc sử dụng các hệ thống điều hịa khơng khí và làm lạnh truyền thống cịn đóng góp đáng kể vào sự gia tăng nhiệt độ trung bình tồn cầu. Chúng tiêu thụ tới 20% tổng năng lượng điện toàn cầu và góp phần tạo ra khoảng 10% lượng phát thải khí nhà kính. Báo cáo từ Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia Hoa Kỳ (NOAA): “Nhiệt độ trung bình của hành tinh vào tháng 7/2019 cao hơn khoảng 1°C so với mức trung bình của thế kỷ 20”. Điều này đặt ra một thách thức nghiêm trọng về việc bảo vệ mơi trường và duy trì sự cân bằng của hành tinh.

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

2 Với nhận thức về những tác động này, chúng ta cần tìm kiếm các giải pháp sáng tạo. Trong xu hướng này, mặc dù khơng cịn mới đối với nhiều người nhưng công nghệ làm lạnh bằng ejector vẫn là giải pháp hứa hẹn và đầy tiềm năng. Nó không chỉ giúp cải thiện hiệu suất năng lượng của các hệ thống AC mà còn thúc đẩy việc chuyển đổi các chu trình lạnh sử dụng năng lượng hóa thạch sang các nguồn điện thân thiện với môi trường như năng lượng mặt trời. Đồng thời, việc nghiên cứu và áp dụng các mơi chất làm lạnh hồn tồn mới cũng đang trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Môi chất làm lạnh được xem như trục xương sống không thể thiếu trong hệ thống lạnh và chúng là một trong những nguyên nhân tác động trực tiếp đến mơi trường bên ngồi.

Vì vậy, nhóm chúng em đã quyết định tập trung vào đề tài "Thiết kế ejector và nghiên cứu dịng động học mơi chất R1234yf". Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc phát triển các giải pháp tiết kiệm năng lượng và thân thiện với mơi trường trong ngành cơng nghiệp điều hịa khơng khí, để tạo ra một tương lai bền vững cho hành tinh chúng ta.

<b>1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ </b>

Đề tài tốt nghiệp tập trung vào 2 mục tiêu chính:

- Xây dựng mơ hình tốn học tính tốn thiết kế ejector cho hệ thống lạnh sử dụng mơi chất lạnh R1234yf, lựa chọn các kích thước tối ưu cho ejector bằng việc dự đoán các đặc tính hiệu suất của hệ thống lạnh.

- Thực hiện đánh giá và so sánh sự tối ưu của môi chất lạnh R1234yf với các môi chất khác, đặc biệt là môi chất lạnh R134a.

Để đạt mục đích chính cần thực hiện được các nhiệm vụ như sau:

- Phát triển mơ hình sử dụng một loạt các thông số được nghiên cứu từ cơ sở dữ liệu bộ giải phương trình kỹ thuật (EES) của Sanford Klein và Gregory Nellis [1]. Các thông số này bao gồm nhiệt độ sinh hơi 70 − 90℃, nhiệt độ ngưng tụ 30 − 45℃, nhiệt độ bay hơi 0 − 10℃, độ quá nhiệt 0 − 15K, hiệu suất vòi phun 0,75 − 0,95 và hiệu suất khuếch tán 0,75 − 0,95.

- Mô phỏng số bằng phần mềm ANSYS-FLUENT để tối ưu hóa hình học ejector. - Sử dụng các kết quả thực nghiệm từ các nghiên cứu có sẵn để đánh giá và kiểm

chứng kết quả mơ phỏng số trong lý thuyết.

- Dự đốn ảnh hưởng của các thông số hoạt động đối với hiệu suất của hệ thống.

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

<b>1.3. Đối tượng nghiên cứu </b>

Bao gồm 2 yếu tố chính sau: - Ejector:

Trong đề tài này, ejector là trọng tâm và nghiên cứu cụ thể về thiết kế kích thước và hiệu suất làm lạnh với mơi chất lạnh R1234yf.

- Môi chất lạnh R1234yf:

Nghiên cứu bao gồm tính chất nhiệt động học, áp suất, nhiệt độ, các thông số quan trọng khác của R1234yf, cũng như hiệu suất làm lạnh của nó trong hệ thống làm lạnh sử dụng ejector.

<b>1.4. Phương pháp nghiên cứu </b>

Trong nghiên cứu này, sử dụng phương pháp tính tốn lý thuyết bao gồm: - Tìm hiểu về Ejector và môi chất lạnh R1234yf

Bước đầu cần nắm vững kiến thức về cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng như sự kết hợp ejector với chu trình điều hịa khơng khí một cấp. Thêm vào đó là các đặc tính nhiệt động lực học của mơi chất R1234yf.

- Tính tốn thiết kế ejector

Sử dụng các kiến thức đã nêu trên, thiết lập nên một mơ hình tốn học. Xác định được kích thước, hình dạng, và điều kiện hoạt động của ejector để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Để đảm bảo cho kết quả, mơ hình tốn học này được xác thực thơng qua một số bài báo về mơ hình thực nghiệm ejector đã được nghiên cứu.

Thêm vào đó, phần mềm mô phỏng CFD cũng được đưa vào để đánh giá điều kiện hoạt động tối ưu nhất của ejector.

<b>1.5. Phạm vi nghiên cứu </b>

Nghiên cứu này đánh giá sự ảnh hưởng của hình học và các thơng số đầu vào tác động đến hiệu suất ejector với nhiệt độ sinh hơi 70 − 90℃, nhiệt độ ngưng tụ 30 − 45℃, nhiệt độ bay hơi 0 − 10℃ và ảnh hưởng của độ quá nhiệt trong khoảng nhiệt độ 0 − 15𝐾 đối với hệ thống lạnh trong nghiên cứu này có cơng suất lạnh là 7kW.

<b>1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn </b>

- Về ý nghĩa khoa học

Đề tài là nguồn tài liệu tin cậy có thể dùng để tham khảo cho riêng môi chất lạnh R1234yf, cung cấp thông tin và nguồn cơ sở dữ liệu có ích cho nghiên cứu dịng động học.

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

4 - Về ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu chứng minh được sự tối ưu hóa hiệu suất hệ thống trong điều kiện làm việc nhất định, tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành. Đồng thời môi chất R1234yf thân thiện với môi trường, tiềm năng thay thế các môi chất cũ đang dần bị loại bỏ. Mặc dù chưa áp dụng rộng rãi nhưng dự đoán trong tương lai đây sẽ là một trong những môi chất tốt và hợp lý nhất.

Chia thành 5 phần chính:

 Chương 1: Tổng quan về đề tài

 Chương 2: Tổng quan về lý thuyết Ejector  Chương 3: Mơ hình tốn học

 Chương 4: Đánh giá kết quả nghiên cứu

 Chương 5: Mô phỏng ejector bằng phần mềm Ansys-Fluent

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

Ejector không phải là công nghệ mới và đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Với hệ thống lạnh ejector, thực chất là hệ thống lạnh nén hơi, trong đó máy nén được thay thế bằng ejector. Vì vậy, ejector là một trong những bộ phận cốt lõi của hệ thống lạnh, thông tin về thiết kế và hiệu suất của ejector là rất quan trọng. Phương pháp làm thực nghiệm là một trong những cách tốt nhất để thu thập dữ liệu nhưng sẽ tốn nhiều nhân lực, vật liệu và kinh tế. Vì vậy, nghiên cứu lý thuyết là lựa chọn ưu tiên cho đánh giá hiệu suất ejector. Có nhiều mơ hình lý thuyết được đưa ra, nhưng chỉ có một số mơ hình tiên phong và làm nền móng để đánh giá hiệu suất ejector theo lý thuyết động lực học chất lỏng.

<b>2.2. Lịch sử nghiên cứu và phát triển </b>

Năm 1942, Keenan và các cộng sự [2,3] đã đưa ra lý thuyết về ejector đầu tiên. Trình bày phương pháp phân tích một chiều của ejector, áp dụng các phương trình bảo tồn năng lượng, khối lượng, mô men cho từng phần của ejector. Phân tích xem xét giữa việc hịa trộn các dịng chính và dịng phụ ở điều kiện áp suất khơng đổi và hịa trộn các dịng ở điều kiện diện tích khơng đổi. Đối với các điều kiện phân tích được xem xét, phương pháp hịa trộn ở áp suất khơng đổi có thể đạt được hiệu suất tốt hơn. So sánh giữa kết quả thực nghiệm và phân tích cho thấy sự phù hợp tốt đối với nhiều biến số. Và trong nghiên cứu này, tác giả cho rằng áp suất ở ngõ ra vòi phun bằng với áp suất ở ngõ vào buồng hút. Một số dữ liệu thực nghiệm tối ưu về chiều dài ống diện tích khơng đổi để trộn hai dịng mơi chất cũng được trình bày. Từ đó đưa ra phương pháp thiết kế hình học ejector, được nhiều

<i>nhà nghiên cứu sau này ứng dụng. </i>

Stoecker [4] đề xuất một mơ hình tốn học đầu tiên bằng cách sử dụng dữ liệu hệ số Reynolds để thiết kế hình học ejector sử dụng đặc tính khí thực thay vì những đặc tính thu

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

6 được từ giả định khí lý tưởng. Mơ hình này u cầu phải lặp đi lặp lại để tính tốn các trạng thái dịng mơi chất xảy ra bên trong ejector và xuyên qua vùng sóng xung kích. Q trình tính tốn này địi hỏi một số loại mơi chất lạnh có tính chất nhiệt động phù hợp để đáp ứng yêu cầu của giải pháp. Vì vậy, vào thời điểm đó, việc tính tốn trạng thái dịng mơi chất là khá khó khăn nếu chỉ sử dụng tính tốn và bảng tính chất nhiệt động thông thường (đặc

<i>biệt ở áp suất tuyệt đối rất thấp và gần nhiệt độ đóng băng). </i>

Munday và Bagster [5] đưa ra lý thuyết về “Hypothetical throat area” (diện tích cổ giả định) hay gọi là “effective area” (vùng diện tích tác động cho dịng bị cuốn đạt tốc độ âm thanh), điều này được tác giả giả thuyết là khi dịng chính ra khỏi vịi phun sẽ tạo thành một tia có dạng hình học cụ thể, dịng tia này sẽ lơi cuốn dịng phụ cho q trình hồ trộn, và cổ giả định này được xác định cho dòng bị cuốn ở chế độ tới hạn. Sau đó, Huang et al (1985) [6] đã xác định từ thực nghiệm cổ giả định với hệ thống ejector R113<small>. </small>Huang và các cộng sự đo tỷ số lôi cuốn khi thay đổi áp suất dịng chính, dịng phụ và tìm ra vị trí đạt tốc độ âm thanh của dòng phụ là yếu tố quan trọng đối với ejector. Và họ cũng đưa ra lý thuyết quan trọng về áp suất ngưng tụ tới hạn.

Huang và cộng sự (1999) [7] đã nghiên cứu mơ hình tốn học tính tốn ejector và có làm thực nghiệm cho hệ thống lạnh ejector R141b. Mơ hình được thành lập dựa trên quan hệ đẳng entropy của khí lý tưởng. Huang và cộng sự đã trình bày một mơ hình ejector chi tiết, trong đó có một số sửa đổi đề xuất theo mơ hình của Munday & Bagster. Những sửa đổi quan trọng nhất gồm: đầu tiên là cổ giả định, vị trí dịng phụ đạt vận tốc âm thanh, được giả định là nằm trong vùng có diện tích khơng đổi. Giả thuyết này cho phép xác định dịng chính và dịng phụ ở vị trí này một cách tương đối đơn giản. Thứ hai, quá trình trộn lẫn của hai dịng xảy ra trong phần có diện tích khơng đổi với áp suất đồng đều (thay vì nằm trong vùng hịa trộn như các nghiên cứu khác). Mơ hình của Huang có thể được sử dụng để dự đoán hiệu suất ejector ở chế độ vận hành tới hạn. Các ảnh hưởng của tổn thất ma sát và hoà trộn được xem xét bằng cách áp dụng các hằng số thực nghiệm (hiệu suất đẳng entropy) được xác định bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, hiệu suất của ejector có thể phụ thuộc vào nhiệt độ vận hành, kích thước hình học, mơi chất lạnh làm việc, v.v. Cũng nhận thấy rằng mức độ quá nhiệt ở đầu vào có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của ejector. Tuy nhiên, độ quá nhiệt không được xem xét trong mô hình tốn học của ơng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

<b>2.3. Phân loại ejector </b>

Dựa vào hình học và tính chất dịng mơi chất lạnh bên trong ejector, sẽ phân ejector thành một số loại sau đây:

- Dòng mơi chất có thể phân thành dịng một pha (single-phase), dịng hai pha phase); dịng mơi chất nén được (compressible) hoặc không nén được (incompressible) phụ thuộc vào sự kết hợp dòng chất lỏng ở trạng thái nào (lỏng, hơi, lỏng - hơi, hơi - lỏng).

(two-- Hình học ejector: Mặt cắt ngang có thể dạng hình trịn, hình chữ nhật; xét về vịi phun có loại một hoặc nhiều vịi phun, hình dạng vịi phun có loại vòi phun hội tụ (convergent nozzle) hoặc vòi phun hội tụ - phân kì (convergent-divergent nozzle); vùng hồ trộn bên trong ejector có hai kiểu là vùng hoà trộn áp suất không đổi (constant pressure mixing section) và vùng hồ trộn diện tích khơng đổi (constant area mixing section).

Hình 2.1. Sơ đồ phân loại ejector

Tuy nhiên, về nguyên tắc các quá trình làm việc ở tất cả các loại ejector đều giống nhau. Nhưng sau nhiều nghiên cứu và phân loại thì ejector có vịi phun đơn, hình trụ được sử dụng nhiều nhất vì tính đơn giản của nó.

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

8 - Keenan và cộng sự [8] đã thực hiện nghiên cứu toàn diện đầu tiên về ejector vùng hịa trộn có áp suất khơng đổi và ejector vùng hịa trộn có diện tích khơng đổi. Trong suốt thời gian kể từ khi đó, có nhiều cải tiến đáng kể đã được thực hiện trong phân tích vùng hịa trộn có diện tích khơng đổi giúp ta hiểu rõ hơn về q trình dịng mơi chất hoạt động, nhờ vậy hiệu suất của chúng có thể được dự đốn với mức độ chính xác cao. Ngược lại, q trình dịng mơi chất lạnh chảy trong các ejector vùng áp suất không đổi vẫn chưa được hiểu đầy đủ và câu hỏi về hình dạng tối ưu của phần hòa trộn vẫn chưa được giải đáp. Do đó, phân tích vùng hịa trộn áp suất khơng đổi của Keenan và cộng sự vẫn còn phù hợp cho đến ngày nay.

Mặc dù hai phương pháp thiết kế có liên quan chặt chẽ với nhau nhưng thực sự khơng có sự so sánh trực tiếp nào giữa hiệu suất của cả hai phương pháp.

- Addy và cộng sự [9] tuyên bố rằng phân tích ejector vùng diện tích khơng đổi của họ có thể được sử dụng với độ chính xác hợp lý để dự đoán hiệu suất cho ejector. - Fabri & Siestrunck [10] với sự thành cơng của các lý thuyết khí động học đơn giản

bắt nguồn từ thực tế là độ nhớt và hiệu ứng khuếch tán là cần thiết trong việc xây dựng hệ thống dòng môi chất, nhưng, trong một chuyển động đã được thiết lập, chúng đóng một vai trị nhỏ trong việc duy trì dịng chảy trong điều kiện khí gần như hồn hảo.

- Emanuel [11] đề xuất rằng lý thuyết Fabri & Siestrunck có thể được mở rộng sang các dạng hình học ejector khác, ngoại trừ dạng hình học hịa trộn áp suất khơng đổi khi dịng chảy được coi là khơng có độ nhớt.

Tuy nhiên, hai điều nói trên của Emanuel đã gây ra mâu thuẫn với tuyên bố của Addy và cộng sự, vì phương pháp của họ dựa trên lý thuyết Fabri & Siestrunck. Và ông cũng nhận định ejector áp suất không đổi đã được cho là mang lại hiệu suất tốt hơn ejector có diện tích khơng đổi và do đó được sử dụng rộng rãi hơn.

Trong nghiên cứu hiện tại thiết kế ejector có dạng hình học là hình trụ với vịi phun đơn loại hội tụ - phân kì, vùng hồ trộn áp suất khơng đổi.

<b>2.4. Ngun lý hoạt động của ejector </b>

Ejector về cơ bản bao gồm bốn phần chính: vịi phun, buồng hút, ống diện tích không đổi và ống khuếch tán.

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

9 Sự thay đổi vận tốc và áp suất dịng mơi chất bên trong ejector được thể hiện trong hình 2.2, quá trình thay đổi được biểu diễn dọc theo vị trí chiều dài của ejector. Được giải thích như sau:

- Dịng chính (primary flow) hay cịn gọi là dòng cuốn mang năng lượng cao (áp suất cao, nhiệt độ cao) đi vào vòi phun từ mặt cắt g-g dưới dạng dịng mơi chất lạnh có hệ số M<1. Khi dòng này đi qua ống hội tụ của vịi phun, áp suất của nó giảm và vận tốc tăng theo kiểu tuyến tính.

- Vận tốc đạt được tới vận tốc âm thanh (hệ số M=1) tại phần cổ họng (throat) mặt cắt t-t của vòi phun, đạt được điều này là do sự nghẹt (choking) tại cổ của dịng chất lỏng chính và lúc này áp suất vẫn tiếp tục giảm xuống, ta có thể sử dụng phương trình Bernouli và phương trình liên tục giải thích cho sự tăng vận tốc và giảm áp suất này.

- Dịng chính tiếp tục tăng vận tốc và giảm áp suất khi chảy qua phần ống phân kỳ của vòi phun (vòi phun là một ống laval), vận tốc vượt qua vận tốc âm thanh và đạt đến vận tốc siêu âm (hệ số M>1) khi ra khỏi ngõ ra mặt cắt 1-1 của vòi phun, đồng thời áp suất giảm xuống mức nhỏ hơn áp suất dòng phụ (second flow) hay còn gọi là dòng bị cuốn vì vậy dịng phụ sẽ di chuyển vào buồng hút chuẩn bị cho sự hoà trộn.

 Dịng chính chỉ nhạy cảm với các điều kiện đầu vào của nó (nhiệt độ sinh hơi), lưu lượng dịng chính đạt tốc độ tối đa và áp suất đầu ra thấp.

- Sau khi ra khỏi ngõ vòi phun theo Munday và Bagster [5], dịng chính sẽ khơng hồ trộn với dịng phụ ngay mà sẽ tạo ra một dịng tia có dạng hình học của ống phun phân kỳ (ống này giả thuyết từ mặt cắt 1-1 đến 2-2). Ống này hoạt động sẽ cuốn dòng phụ vào và tạo ra vùng diện tích tác động cho dòng phụ đạt vận tốc âm thanh, đây là vị trí choking của dịng phụ, tại một vị trí nào đó mà theo Huang đã giả định là xảy ra trong vùng diện tích khơng đổi (giả định tại mặt cắt 2-2) như hình. Sau đó hai dịng bắt đầu hồ trộn bên trong vùng diện tích khơng đổi với áp suất khơng đổi (vùng hồ trộn từ mặt cắt 2-2 đến 3-3). Diện tích cổ giả định này hay diện tích tác động cho dịng phụ đạt tốc độ âm thanh (effective area) được xác định cho dòng phụ khi hệ thống được vận hành ở chế độ tới hạn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

10 - Khi kết thúc vùng hồ trộn, kết quả hai dịng hồ trộn hồn tồn sau đó trải qua q trình nén lại bên trong phần diện tích khơng đổi, bằng cách trải qua q trình “Shock wave” (sóng xung kích) tại mặt cắt 4-4 (vị trí xảy ra sóng xung kích này có thể xảy ra ở vị trí bất kỳ, ở đây giả định theo Huang tại mặt cắt 4-4) trước khi vào ống khuếch tán. “Shock wave” có liên quan đến sự gia tăng áp suất đột ngột và giảm vận tốc dịng mơi chất xuống điều kiện cận âm, đây được xem là q trình nén của ejector. Khi dịng hỗn hợp qua ống khuếch tán, áp suất càng tăng thêm, vận tốc tiếp tục giảm. Trong ống khuếch tán, áp suất dịng mơi chất lạnh tăng lên bằng cách giảm tốc độ và hơn nữa để cân bằng áp suất ngưng tụ khơng tạo ra dịng chảy ngược. Ta thấy trong sơ đồ, và thực tế cũng như vậy, tại lối ra của ống khuếch tán, áp suất hỗn hợp lớn hơn so với áp suất ngưng tụ tới hạn của thiết bị ngưng tụ.

Hình 2.2. Hình học và đồ thị phân bố vận tốc và áp suất của ejector

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

Hiệu suất của ejector có thể được chia thành ba chế độ hoạt động theo áp suất ngưng tụ P<small>c</small>.

1. Nghẹt kép hay chế độ tới hạn với P<small>c</small> ≤ P<small>c</small> , cả dịng chính và dịng phụ đều đạt được tốc độ âm thanh (dịng chính đạt tốc độ âm thanh tại cổ vòi phun; dòng phụ đạt tốc độ âm thanh tại mặt cắt 2 - 2 đã giả thuyết), tỷ số lôi cuốn ER lúc này sẽ không thay đổi. Chế độ tới hạn được nghiên cứu là có hiệu suất tốt hơn cho ejector.

2. Nghẹt đơn hay chế độ cận tới hạn với P<small>c</small> < P<small>c</small> < P<small>co</small>, chỉ có dịng chính đạt được tốc độ âm thanh, vì vậy tỷ số lơi cuốn ER và COP thay đổi theo áp suất ngưng tụ P<small>c</small> và tiến dần về 0 khi đạt đến áp suất P<small>co</small>.

3. Chế độ chảy ngược (dịng mơi chất chảy ngược) có P<small>c</small> ≥ P<small>co</small>, cả hai dịng khơng đạt được tốc độ âm thanh và lúc này dòng phụ bị đảo ngược (chảy ngược lại thiết bị bay hơi) do áp suất ra khỏi ejector nhỏ hơn áp suất ngưng tụ (áp suất ngưng tụ này sẽ lớn hơn áp suất dòng phụ nhưng nhỏ hơn áp suất dịng chính) vì vậy dịng phụ xảy ra hiện tượng chảy ngược, do đó tỷ số lơi cuốn bé hơn 0.

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

12 Hình 2.3. Đồ thị biểu diễn điều kiện làm việc của ejector.

Điều kiện hoạt động và hiệu suất của ejector phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái nhiệt động của dịng mơi chất ở đầu vào và ra của nó, được đặc trưng bởi áp suất và nhiệt độ tương ứng ở những vị trí này. Mơi chất làm việc có thể ở trạng thái bão hịa hoặc trạng thái quá nhiệt. Tùy thuộc vào loại môi chất được sử dụng, có thể cần một mức độ quá nhiệt nào đó:

- Độ quá nhiệt ở đầu vào của dịng chính để tránh sự hoạt động của dịng hai pha bên trong ejector do q trình giãn nở đẳng entropy của từng loại môi chất lạnh.

- Độ q nhiệt ở dịng phụ nói chung khơng phải là vấn đề và dịng mơi chất ở đầu ra ejector thường quá nhiệt ở một mức độ nào đó theo quan hệ nén đoạn nhiệt đẳng entropy và đồng thời tránh khả năng xảy ra dòng chảy ngược mạnh mẽ xảy ra bên trong buồng hoà trộn.

- Độ quá nhiệt của quá trình hoạt động bên trong ejector chủ yếu là do điều kiện hòa trộn của dịng mơi chất bên trong buồng hồ trộn và do cường độ sóng xung kích bên trong vùng tiết diện không đổi. Trường hợp, vận hành không theo điều kiện thiết kế sẽ gây ra hiện tượng q nhiệt nhiều hơn do sóng xung kích sinh ra sớm hơn trong buồng hịa trộn, nhìn chung là rất mạnh, dẫn đến tổn thất lớn về mặt sinh nhiệt.

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

13 Tuy nhiên, việc ảnh hưởng của độ quá nhiệt đến hiệu suất ejector nói chung là không đáng kể như đã được chứng minh về mặt lý thuyết và thực nghiệm bằng nghiên cứu trước đây của Chunnanond và cộng sự (2004) [12] hay Khalil và cộng sự (2011) [13].

<b>2.6. Chu trình lạnh ejector một cấp và điều kiện vận hành </b>

Hệ thống sử dụng trong nghiên cứu này là hệ thống lạnh ejector một cấp.

Hệ thống này bao gồm một thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi và van tiết lưu, tương tự như các thiết bị được sử dụng trong chu trình làm lạnh nén hơi. Tuy nhiên điểm khác biệt lớn nhất ở đây là việc sử dụng ejector kết hợp thiết bị sinh hơi và bơm chất lỏng thay vì máy nén cơ học để nâng cao áp suất mơi chất lạnh,. Ejector có thể được gọi là “máy nén nhiệt”, do quá trình nén được cung cấp bằng cách sử dụng năng lượng nhiệt.

<b>2.6.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống làm lạnh ejector </b>

Bơm môi chất lạnh đưa qua thiết bị sinh hơi (thiết bị generator), khi thiết bị sinh hơi nhận vào nhiệt lượng (Q<small>g</small>) (nguồn nhiệt này có thể là nhiệt bức xạ mặt trời, nhiệt từ lò hơi hoặc các nguồn nhiệt thải tận dụng khác), gia nhiệt hơi môi chất lạnh lên thành trạng thái hơi quá nhiệt và đi vào ejector với vai trị là dịng chính. Sau đó, q trình động học diễn ra trong ejector tạo ra vùng áp suất thấp trong buồng hút, hút hơi mơi chất lạnh từ thiết bị bay hơi (dịng phụ) vào buồng hút. Hai dòng chất lỏng, chất lỏng chính từ thiết bị sinh hơi và chất lỏng phụ từ thiết bị bay hơi, sau đó được trộn trong vùng hịa trộn, trải qua q trình Shock wave nâng áp suất lên áp suất ngưng tụ (thực tế cao hơn áp suất ngưng tụ), nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ ngưng tụ (ở trạng thái là hơi quá nhiệt) ra khỏi ejector và vào thiết bị ngưng tụ, tiếp theo tiến hành nhả nhiệt ngưng tụ đẳng áp thành lỏng bão hồ (có thể là lỏng q lạnh, như trong nghiên cứu hiện tại là lỏng quá lạnh).Trạng thái lỏng quá lạnh có ý nghĩa quan trọng để đánh giá mức độ làm việc hiệu quả của thiết bị ngưng tụ và nâng cao hiệu suất chu trình.

Sau đó mơi chất lạnh từ thiết bị ngưng tụ được chia thành hai dòng. Một dòng qua van tiết lưu nhiệt để giảm áp suất, hạ nhiệt độ xuống mức cần thiết và vào thiết bị bay hơi, nơi nó bay hơi đẳng nhiệt-đẳng áp để tạo ra hiệu ứng làm lạnh cần thiết, sau khi nhận nhiệt từ không gian cần làm lạnh, môi chất lạnh rời thiết bị bay hơi ở trạng thái hơi bão hồ khơ (nghiên cứu này ở trạng thái hơi quá nhiệt) đi vào ejector với tên gọi là dòng phụ. Còn dòng thứ hai được bơm bơm qua thiết bị sinh hơi, và tiếp tục thực hiện chu trình khép kín như thế.

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

14 Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý chu trình lạnh ejector.

<b>* Chú thích: </b>

TBSH: Thiết bị sinh hơi. TBNT: Thiết bị ngưng tụ. TBBH: Thiết bị bay hơi. VTL: Van tiết lưu.

Hình 2.5. Đồ thị logP-h biểu diễn chu trình lạnh ejector.

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

<b>2.6.2. Điều kiện vận hành chu trình </b>

Đối với điều kiện vận hành hệ thống lạnh theo quy định, theo Aidoun và cộng sự (2004) [14] cho rằng thiết kế của ejector hoạt động ở chế độ tới hạn là đạt hiệu suất tốt nhất.

Theo nghiên cứu, công suất danh nghĩa của thiết bị được xác định bằng nhiệt độ nguồn cố định t<small>g</small>, t<small>e </small>và t<small>c</small> lần lượt tại thiết bị sinh hơi, thiết bị bay hơi và thiết bị ngưng tụ. Các vị trí này gần đúng tương ứng với các ngõ vào dịng chính, ngõ vào dòng phụ và ngõ ra ejector. Từ quan điểm vận hành ejector, các điều kiện này chuyển thành áp suất như áp suất dịng chính P<small>g</small>, áp suất dòng phụ P<small>e</small> và áp suất ở ngõ ra ejector P<small>d</small>. Hầu hết các nghiên cứu thực nghiệm về ejector đều sử dụng nhiệt độ hoặc áp suất.

Trong thiết bị sinh hơi, độ quá nhiệt quá mức ở đầu vào hầu như luôn truyền mà không bị ảnh hưởng về phía đầu ra, do đó gây khó khăn cho hoạt động của thiết bị ngưng tụ mà không ảnh hưởng nhiều đến áp suất đầu ra. Hiệu ứng này thậm chí cịn bất lợi hơn đối với thiết bị bay hơi khi gây ra sự giảm công suất. Việc tăng áp suất trong máy làm giảm tỷ lệ cuốn vào.

Các điều kiện của thiết bị bay hơi ảnh hưởng đến hiệu suất một cách khác nhau như: sự gia tăng nhiệt độ bay hơi dẫn đến sự cải thiện tương ứng về tỷ số lôi cuốn. Người ta nhận thấy rằng bằng cách thiết kế ejector với hình học tối ưu và lựa chọn thơng số vận hành tối ưu, hiệu suất có thể được nâng cao một cách hợp lý.

<b>2.7. Các chỉ số đánh giá ejector </b>

Ejector có khả năng tạo ra hiệu ứng lơi cuốn và nén trong q trình làm lạnh. Chúng cũng tạo ra hiệu ứng hút và tạo chân khơng có thể được u cầu trong các ứng dụng riêng biệt trong quy trình cơng nghiệp.

Hiệu suất hoạt động của hệ thống làm lạnh bằng ejector được quan tâm nhất. Trọng tâm ở đây là làm lạnh và bơm nhiệt, các chỉ số hiệu suất chính đặc trưng cho hoạt động của một ejector thường được sử dụng là tỉ số lôi cuốn ER và tỷ số nén 𝜋.

Trong một ejector có hình dạng cố định, hiệu suất được đánh giá ở các điều kiện thiết

<i>kế, tương ứng với hiện tượng choking, tức là khi dịng chính và dịng phụ đã đạt đến điều </i>

kiện vận tốc âm thanh và hiệu suất của ejector khi đó được tối đa hóa.

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

Tỷ số lôi cuốn là thông số quan trọng để đánh giá hiệu suất của một ejector, nó dựa vào tỷ số giữa lưu lượng khối lượng của dòng bị cuốn và lưu lượng khối lượng dịng cuốn. Tỷ số lơi cuốn cao cho thấy hiệu suất phun tốt.

Được định nghĩa như sau:

COP tỷ lệ thuận với tỷ lệ lôi cuốn ER và tỷ lệ chênh lệch entanpy trong thiết bị bay hơi và thiết bị sinh hơi.

- Ejector có chi phí thấp, tương đối đơn giản, khơng có bộ phận chuyển động và có độ tin cậy cao.

- Ejector có thể hoạt động với việc tận dụng một số nguồn nhiệt (nhiệt thải, năng lượng từ sinh khối, năng lượng mặt trời, địa nhiệt) phù hợp với vấn đề năng lượng hiện nay và vì khơng cần bơi trơn nên gần như mọi loại môi chất làm việc đều có thể được sử dụng.

 <b>Nhược điểm </b>

- Hiệu suất nhiệt động thấp, dẫn đến giá trị COP ở mức thấp.

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

17 - Nhược điểm của ejector là rất nhạy cảm với các thay đổi thông số nhiệt độ do sự

thay đổi của môi trường.

=> Tuy nhiên vì nhược điểm này, các chu trình sử dụng năng lượng tái tạo có thu hồi nhiệt bên trong kết hợp với các công nghệ làm lạnh khác được cho là có triển vọng nhất.

<b>2.9. Một số mơ hình hệ thống lạnh ejector </b>

<b>2.9.1. Mơ hình làm lạnh ejector-máy nén sử dụng năng lượng mặt trời </b>

Hình 2.6. Mơ hình làm lạnh ejector-máy nén sử dụng năng lượng mặt trời [15] Compressor: Máy nén hơi.

Evaporator: Thiết bị sinh hơi. Condenser: Thiết bị ngưng tụ. Generator: Thiết bị sinh hơi. Pump: Bơm môi chất lạnh. Separator: Thiết bị tách lỏng.

Collector: Bộ thu năng lượng mặt trời. Throttle 1: Van tiết lưu nhiệt 1.

Theo nghiên cứu của Yingjie Xu và các cộng sự [15] dựa vào hệ thống cũ bổ sung thêm van tiết lưu thứ hai và bình tách lỏng vào hệ thống. Bình tách lỏng được lắp ngay sau van tiết lưu đầu tiên sau thiết bị ngưng tụ. Bình này nhận mơi chất lạnh ngưng tụ ở trạng thái hai pha có áp suất trung gian. Hơi ở phía trên bình được hút vào ejector và chất lỏng bên

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

18 dưới được tiếp tục giãn nở qua van tiết lưu 2 đến điều kiện bay hơi, sau đó được máy nén hút về. Máy nén ở đây có chức năng nâng áp suất của dịng mơi chất lạnh ra khỏi ejector lên áp suất ngưng tụ. Lưu lượng khối lượng dòng phụ nhỏ hơn nhiều lượng môi chất lạnh sau thiết bị ngưng tụ, do đó mơ hình này tiêu thụ nhiệt ít hơn, giảm được diện tích bộ thu năng lượng mặt trời, và tỷ số áp suất và tỷ số lơi cuốn khơng thay đổi so với mơ hình cũ. Công suất máy nén cũng nhỏ hơn công suất máy nén trong chu trình cũ do tốc độ dịng môi chất nhỏ hơn, nhưng công suất làm lạnh gần như không đổi. Kết luận với nghiên cứu này sử dụng mơi chất R152a với chu trình sử dụng năng lượng mặt trời cho hiệu suất COP cải thiện 22,8% so sánh với chu trình thơng thường, như vậy mơ hình này có tính khả thi và hiệu suất tốt hơn.

<b>2.9.2. Chu trình kết hợp ejector-máy nén hơi </b>

Hệ thống lạnh kết hợp hai chu trình bao gồm một chu trình nén hơi và một chu trình ejector độc lập với nhau và chỉ liên kết với nhau bằng thiết bị trao đổi nhiệt làm mát trung gian đã được trình bày trong một nghiên cứu tốn học và thực nghiệm Sokolov và Hershgal [16], mục đích của phát triển mơ hình kết hợp này là cải thiện hệ số COP thấp của mơ hình đơn. Chu trình lạnh ejector sẽ đóng vai trị là hệ thống dùng để giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ ở thiết bị trung gian, cịn chu trình nén hơi sẽ là chu trình chính trong việc thực hiện chức năng làm lạnh ở thiết bị bay hơi. Trong một nghiên cứu của Yan và cộng sự [17] với chu trình kết hợp sử dụng môi chất lạnh R134a. Trong các điều kiện hoạt động sau: ngưng tụ từ 36°C đến 44°C, nhiệt độ tạo ra 78°C và nhiệt độ bay hơi trong khoảng 13°C đến 16°C. Mức làm mát phụ đạt được là 27,6 - 33,2°C. Kết quả được tuyên bố cải thiện hiệu suất 15,9 - 21% so với kết quả thực nghiệm Huang et al [18], dự đoán mức tăng COP trong khoảng từ 9% đến 24%

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

19 Hình 2.7. Mơ hình kết hợp ejector-máy nén [17]

Compressor: Máy nén hơi. Evaporator: Thiết bị sinh hơi. Condenser: Thiết bị ngưng tụ. Generator: Thiết bị sinh hơi. Pump: Bơm môi chất lạnh.

Suncooler: Thiết bị trao đổi nhiệt trung gian. Expansion valve: Van tiết lưu nhiệt.

<b>2.10. Sự tác động và các yêu cầu cấp thiết về môi chất lạnh 2.10.1.Sơ lược về môi chất lạnh </b>

Chất làm lạnh được phân loại thành các nhóm sau: chlorofluorocarbons (CFC), hydrochlorofluorocarbons (HCFC), hydrofluorocarbons (HFC), hydrofluoroolefin (HFO). Nhóm CFC bao gồm clo, flo và carbon (R12, R13, v.v.). Chúng đã được sử dụng rộng rãi dùng cho mục đích làm mát trong gia đình, ơ tơ, thương mại vì chúng khơng độc hại, khơng dễ cháy và ổn định. Khi một hoặc nhiều nguyên tố clo được thay thế bằng hydro trong hợp chất CFC, chất lỏng hoạt động thu được được gọi là hydrochlorofluorocarbon (HCFC). Phổ biến nhất của HCFC là R22, R123 và R141b. Chúng ít độc hại, giá thành thấp, ổn định về mặt hóa học và thường là loại môi chất lạnh không cháy, được phát triển với mục đích thay thế CFC.

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

20  Tuy nhiên, năm 1985, các chính phủ đã thơng qua Cơng ước Vienna về Bảo vệ tầng ozone. Nghị định thư Montreal [20] của Công ước này yêu cầu hạn chế và cuối cùng chấm dứt hoàn toàn việc sử dụng và sản xuất các hợp chất carbon của clo và flo (CFC – chlorofluorocacbons) gây suy giảm tầng ozone, có chỉ số GWP và ODP quá cao. Nghị định thư mang tính lịch sử này đã được thông qua tại thành phố Montreal (Canada) và bắt đầu có hiệu lực từ ngày 01/01/1989. Việc thương mại hóa CFC đã bị cấm từ năm 1987 ở các nước phát triển và bị loại bỏ hồn tồn từ năm 2008. HCFC cũng khơng phải ngoại lệ khi đã bị cấm hoàn toàn khỏi thị trường theo quy định của Châu Âu 2037/2000 kể từ năm 2015.

Nhóm HFC khơng chứa clo trong số các thành phần; do đó, ODP của chúng về cơ bản bằng không. Các HFC phổ biến nhất là R23, R134a và R410a (hỗn hợp của R32 và R125). Chúng hầu hết không bắt lửa, ổn định và không phản ứng, mang lại hiệu suất làm mát cao khi ứng dụng trong hệ thống lạnh. Hơn nữa, chúng thường có tiềm năng nóng lên tồn cầu (GWP) thấp hơn chất làm lạnh HCFC. Do những đặc tính này, HFC đã được ứng dụng rộng rãi làm chất lỏng làm việc trong hệ thống làm lạnh ejector.

 Năm 2016, Bản sửa đổi Kigali trong khuôn khổ Nghị định thư Montreal, đã được các nước thành viên phê chuẩn nhằm giảm HFC và cũng theo quy định hiện hành của Châu Âu 517/2014, những môi chất làm lạnh này đang bị loại bỏ dần. Việc sử dụng HFC có chỉ số GWP > 2500 bị cấm kể từ năm 2020 tại Liên minh Châu Âu. Từ năm 2011, Liên minh Châu Âu bắt đầu loại bỏ dần các chất làm lạnh có tiềm năng làm nóng tồn cầu (GWP = tiềm năng làm ấm 100 năm của một kg khí tương ứng với một kg CO2). Chẳng hạn như Chất làm lạnh R134a có GWP là 1410. Trong cùng năm đó, cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (EPA) đã quyết định ủng hộ chất làm lạnh an toàn với ozone và khí hậu cho sản xuất của Hoa Kỳ.

Nhóm Hydrofluorolefin được coi là thế hệ thứ tư mới của halocacbon (R1234yf, R1234ze…). Về mặt hợp chất hóa học, HFO tương tự như HFC: chúng cũng bao gồm hydro, flo và carbon. Sự khác biệt cơ bản giữa chúng nằm ở các liên kết khơng bão hịa (ít nhất một liên kết đơi) mà HFO có trong cấu trúc hóa học của chúng. Liên kết khơng bão hịa có nghĩa là độ ổn định hóa học giảm khiến thời gian tồn tại của chúng trong khí quyển ngắn, thường dưới một tháng. Tuổi thọ ngắn này cũng góp phần làm cho GWP của chúng không đáng kể.

</div>