Nghiên cứu quá trình quá lạnh trong hệ thống điều hòa không khí CO2 bằng phương pháp thực nghiệm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH QUÁ LẠNH
VÀ QUÁ TRÌNH TIẾT LƯU TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA
KHƠNG KHÍ CO2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
SVTH: VÕ SỸ LIÊM
ĐỖ NHẬT NAM
NGUYỄN TẤN THI
HUỲNH THẢO TOÀN

MSSV: 13147032
MSSV: 13147039
MSSV: 13147064
MSSV: 13147071

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
-------------------------------

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS ĐẶNG THÀNH TRUNG
TH.S VÕ KIM HẰNG

Sinh viên thực hiện:

VÕ SỸ LIÊM

ĐỖ NHẬT NAM
HUỲNH THẢO TOÀN
NGUYỄN TẤN THI

Lớp:
Khóa:

131470
2013 - 2017


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật nhiệt
Tên đề tài: NGHIÊN

CỨU QUÁ TRÌNH QUÁ LẠNH
VÀ QUÁ TRÌNH TIẾT LƯU TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA
KHƠNG KHÍ CO2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
SVTH: VÕ SỸ LIÊM
MSSV: 13147032
ĐỖ NHẬT NAM
MSSV: 13147039
NGUYỄN TẤN THI
MSSV: 13147064
HUỲNH THẢO TỒN MSSV: 13147071

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
---------------------

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

TP. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 7 năm 2017

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: 1. Võ Sỹ Liêm

MSSV: 13147032

2. Đỗ Nhật Nam

MSSV: 13147039

3. Nguyễn Tấn Thi

MSSV: 13147064

4. Huỳnh Thảo Tồn

MSSV: 13147071

Chun ngành: Cơng nghệ kỹ thuật nhiệt

Mã ngành đào tạo: 52510206

Hệ đào tạo: Đại học

Mã hệ đào tạo: 1

Khóa: 2013

Lớp: 13147

1. Tên đề tài:
Nghiên cứu quá trình quá lạnh và q trình tiết lưu trong hệ thống điều hịa khơng khí
CO2 bằng phương pháp thực nghiệm.
2. Nhiệm vụ đề tài:
-

Tổng quan tài liệu liên quan
Tính tốn thiết kế hệ thống điều hịa khơng khí sử dụng mơi chất CO2 có

-

thiết bị q lạnh
Thực nghiệm q trình tiết lưu trong hệ thống điều hịa khơng khí sử dụng
mơi chất CO2

3. Sản phẩm của đề tài:
-

Mơ hình hệ thống điều hịa khơng khí sử dụng mơi chất CO2
Biểu đồ, các kết quả đánh giá quá trình quá lạnh và quá trình tiết lưu đối với
hệ thống điều hịa khơng khí sử dụng môi chất CO2

4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài
5. Ngày hồn thành nhiệm vụ:

TRƯỞNG BỘ MƠN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

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

Bộ môn ……………………………..

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Họ và tên sinh viên: Võ Sỹ Liêm

MSSV: 13147032 Hội đồng:

Họ và tên sinh viên: Đỗ Nhật Nam

MSSV:13147039 Hội đồng:

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Tấn Thi

MSSV:13147064 Hội đồng:

Họ và tên sinh viên: Huỳnh Thảo Toàn

MSSV:13147071 Hội đồng:

Tên đề tài: Nghiên cứu quá trình quá lạnh và quá trình tiết lưu trong hệ thống điều hịa khơng
khí CO2 bằng phương pháp thực nghiệm
Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật nhiệt
Họ và tên GV hướng dẫn: PGS.TS ĐẶNG THÀNH TRUNG
Th.S. VÕ KIM HẰNG
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

2. Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN(không đánh máy)
2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

2.2 Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát
triển)
..............................................................................................................................................................................

..............................................................................................................................................................................


..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

2.3.Kết quả đạt được:
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

2.4. Những tồn tại (nếu có):
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

3. Đánh giá:
TT
1

2

Mục đánh giá
Hình thức và kết cấu ĐATN

Điểm
tối đa
30

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục

10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài

10

Tính cấp thiết của đề tài

10

Nội dung ĐATN

50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa
học xã hội…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá

10

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình

đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.

15

Khả năng cải tiến và phát triển

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành…

5

3

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài

10

4

Sản phẩm cụ thể của ĐATN

10

Tổng điểm
4. Kết luận:
 Được phép bảo vệ

100

Điểm đạt
được




Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày

tháng

năm 2017

Giảng viên hướng dẫn
((Ký, ghi rõ họ tên)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

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

Bộ môn ……………………………..

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên phản biện)
Họ và tên sinh viên: Võ Sỹ Liêm

MSSV: 13147032 Hội đồng:

Họ và tên sinh viên: Đỗ Nhật Nam

MSSV:13147039 Hội đồng:

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Tấn Thi

MSSV:13147064 Hội đồng:

Họ và tên sinh viên: Huỳnh Thảo Toàn

MSSV:13147071 Hội đồng:

Tên đề tài: Nghiên cứu quá trình quá lạnh và quá trình tiết lưu trong hệ thống điều hịa khơng
khí sử dụng môi chất CO2 bằng phương pháp thực nghiệm
Ngành đào tạo: .................................................................................................................................
Họ và tên GV phản biện: (Mã GV)..................................................................................................
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

2. Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát
triển)
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

3. Kết quả đạt được:
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................


..............................................................................................................................................................................

4. Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................................

5. Câu hỏi:
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................

6. Đánh giá:
TT
1.

2.

Mục đánh giá
Hình thức và kết cấu ĐATN

Điểm
tối đa
30

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục

10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài

10

Tính cấp thiết của đề tài

10

Nội dung ĐATN

50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa
học xã hội…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá

10

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình
đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.

15

Khả năng cải tiến và phát triển

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành…

5

3.

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài

10

4.

Sản phẩm cụ thể của ĐATN

10

Điểm đạt
được


Tổng điểm

100

7. Kết luận:
 Được phép bảo vệ
 Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày

tháng

năm 2017

Giảng viên phản biện
((Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
-----------------------XÁC NHẬN HỒN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài: Nghiên cứu quá trình quá lạnh và q trình tiết lưu trong hệ thống điều hịa
khơng khí CO2 bằng phương pháp thực nghiệm.
Họ và tên Sinh viên:
1. Võ Sỹ Liêm
2. Đỗ Nhật Nam
3. Nguyễn Tấn Thi

4. Huỳnh Thảo Tồn

MSSV: 13147032
MSSV: 13147039
MSSV: 13147064
MSSV: 13147071

Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật nhiệt
Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản
biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ. Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh đúng theo
yêu cầu về nội dung và hình thức.
Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:


Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2017


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp nhóm chúng em đã nhận được nhiều sự
giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của q thầy cơ khoa cơ khí động lực
Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM.
Lời đầu tiên, chúng em xin được gửi tới thầy PGS.TS. Đặng Thành Trung và cô

Th.S Võ Kim Hằng lời cảm ơn chân thành nhất. Thầy cô đã tận tình giúp đỡ, hướng
dẫn và ln quan tâm, động viên nhóm trong suốt q trình thực hiện đồ án để nhóm
có thể hồn thành một cách tốt nhất.
Chúng em cũng xin được chân thành cảm ơn toàn bộ các thầy cô bộ môn Công
nghệ Kỹ thuật Nhiệt, khoa Cơ Khí Động Lực, Trường Đại Học Sư phạm Kỹ Thuật TP
Hồ Chí Minh. Các thầy cơ đã truyền đạt những kiến thức rất quý báu và luôn tạo điều
kiện tốt nhất để chúng em có thể nghiên cứu và hồn thành đồ án. Xin được cảm ơn
các anh chị cao học các cựu sinh viên và các bạn sinh viên cùng khóa đã hỗ trợ và góp
ý trong suốt quá trình thực hiện đồ án.
Tuy nhiên với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm và nguồn tài liệu tham
khảo còn hạn chế, dù đã rất cố gắng để thực hiện đồ án nhưng nhóm khơng thể tránh
khỏi những thiếu sót. Nhóm chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ thầy
cơ để có thể bổ sung và hồn thiện hơn bài đồ án.
Nhóm sinh viên thực hiện

10


TĨM TẮT
Đề tài này tập trung nghiên cứu q trình quá lạnh và quá trình tiết lưu trong hệ
thống điều hịa khơng khí CO2 bằng phương pháp thực nghiệm
Dựa trên các bài báo nghiên cứu khoa học và các đề tài nghiên cứu liên quan
trong và ngoài nước ta đưa ra được hướng nghiên cứu đồng thời tiến hành thiết lập mơ
hình hệ thống thí nghiệm. Sau đó tiến hành lắp đặt mơ hình thực nghiệm để thu được
các kết quả số liệu chính xác nhất và từ những số liệu cụ thể này ta tiến hành thực
nghiệm để có cơ sở so sánh đối chiếu với kết quả tính toán lý thuyết nhằm đưa ra
những nhận xét, kết luận chính xác nhất đối với q trình q lạnh và q trình tiết lưu
trong hệ thống điều hịa khơng khí CO2.
Từ những kết quả thu được cho thấy nghiên cứu này đáp ứng đầy đủ các tiêu
chí về một hệ thống điều hịa trong tương lai như bảo vệ mơi trường và tiết kiệm năng

lượng, năng suất làm lạnh cao.
Trong đề tài này cũng đã nêu ra được những ưu nhược điểm cũng như mặt hạn
chế của hệ thống để tạo tiền đề cho các nghiên cứu cao hơn sau này.

11


MỤC LỤC

12


DANH MỤC HÌNH

13


DANH MỤC BẢNG

14


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngành công nghiệp lạnh phát triển mạnh mẽ trong thời gian gần đây đã cho ra
đời nhiều thiết bị mới với năng suất làm lạnh cao, tuy nhiên các vấn đề môi trường và
tiết kiệm năng lượng cũng trở thành mối quan tâm hàng đầu và rất được coi trọng.
Việc sử dụng các hợp chất môi chất lạnh hiện nay như CFC, HCFC hay HFC có chứa
thành phần Flo đã tác động đến sự suy giảm tầng ozone của trái đất, biến đổi khí hậu
tồn cầu và dẫn đến hiệu ứng nhà kính làm cho nhiệt độ khí quyển tăng lên. Từ những

ảnh hưởng to lớn đó các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu để ngày càng cải tiến và
tìm ra những mơi chất thân thiện hơn với môi trường hơn. Với chỉ số phá hủy tầng
ozone (ODP = 0) và chỉ số làm nóng tồn cầu rất thấp (GWP = 1) thì mơi chất CO 2 đã
và đang được ứng dụng nhiều hơn trong các hệ thống lạnh nhờ những tính chất thân
thiện với mơi trường và những lợi ích mà nó mang lại. Tuy vậy mơi chất CO 2 cũng có
một số nhược điểm như áp suất ngưng tụ cao, làm cho hệ thống cồng kềnh và nguy
hiểm.
Để giải quyết vấn đề này, có nhiều hướng nghiên cứu được đặt ra như chế tạo
thiết bị bay hơi kênh micro, mini sử dụng môi chất CO2 để thay thế cho thiết bị bay hơi
truyền thống dùng mơi chất lạnh fluorocarbon. Nhờ đó, một mặt chúng ta đã giải quyết
được vấn đề tiết kiệm năng lượng, thiết bị nhỏ gọn, mật độ dòng nhiệt cao, hiệu quả
năng lượng được cải thiện. Đồng thời, chúng ta cũng giải quyết được vấn đề ô nhiễm
môi trường, nghĩa là giảm lượng CO 2 trong khí thải và fluorocarbon trong hệ thống
lạnh đáng kể nhằm hạn chế ảnh hưởng đến mơi trường. Ngồi ra một hướng nghiên
cứu mới đó là quá trình quá lạnh dàn ngưng tụ và quá trình tiết lưu, hiện nay đã được
nghiên cứu và áp dụng trên nhiều hệ thống lạnh sử dụng môi chất như R134a, R600a,
R1234yf... và đã đạt được những thành công nhất định khi cho thấy được những ưu
điểm so với hệ thống lạnh truyền thống với điển hình như tăng được hệ số COP nhưng
ngày nay các nghiên cứu về lĩnh vực này trong hệ thống điều hịa khơng khí CO 2 rất
còn hạn chế.
Nắm bắt được tầm quan trọng của q trình q lạnh cũng như những lợi ích
cần thiết trong tương lai. Nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu quá
trình quá lạnh và quá trình tiết lưu trong hệ thống điều hịa khơng khí CO 2 bằng
15


phương pháp thực nghiệm”. Với hi vọng kết quả này sẽ góp phần bổ sung cho sự phát
triển nền cơng nghiệp điện lạnh nói chung, giúp tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi
trường và nâng cao hiệu suất của chu trình, tối ưu hóa hình dạng, kích thước của hệ
thống điều hịa khơng khí CO2 trong tương lai.

1.2. Nghiên cứu liên quan ngồi nước
Liên quan đến đề tài thì đã có nhiều cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước
về hệ thống điều hịa khơng khí CO2 cũng như q trình q lạnh được thực hiện và
đóng góp tích cực cho khoa học nhưng vẫn còn nhiều hạn chế. Sau đây là một số bài
báo được tìm hiểu làm nền tảng cơ sở dữ liệu để thực hiện nghiên cứu đề tài.
Zhao và Bansal [1] đã phát hiện ra rằng hệ số truyền nhiệt khi sơi dịng hai pha
của CO2 ở khoảng -30oC thay đổi từ 4000 đến 7500 Wm-2K-1 ở các chất lượng hơi khác
nhau. Các giá trị này thấp hơn các giá trị tương ứng khi ở nhiệt độ khoảng 0°C, nhưng
hệ số truyền nhiệt khi sơi dịng hai pha tăng cùng với chất lượng dòng hơi đến khi bay
hơi hoàn toàn. Choi cùng cộng sự [2] đã nghiên cứu các thí nghiệm được thực hiện
dựa vào quá trình sơi đối lưu trong ống mini nằm ngang với môi chất CO 2. Phần thử
nghiệm này được làm bằng ống thép khơng gỉ với đường kính bên trong bằng 1,5 và
3,0 mm và có chiều dài tương ứng là 2.000 và 3.000 mm, và nó được thống nhất làm
nóng bằng cách áp dụng một dòng điện trực tiếp đến các ống. Hệ số truyền nhiệt cục
bộ thu được cho dòng nhiệt nằm trong phạm vi 20 – 40 kWm -2. Việc giảm hệ số truyền
nhiệt xảy ra ở hơi chất lượng thấp với mức tăng dòng nhiệt, lưu lượng và nhiệt độ bão
hịa, và với một ống có đường kính trong nhỏ. Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm của CO 2
cao hơn so với R-134a khoảng ba lần. Ngoài ra Jiang cùng cộng [3] đã nghiên cứu về
truyền nhiệt đối lưu của CO2 ở áp suất siêu tới hạn trong một ống nhỏ đặt thẳng đứng
và kết quả cho thấy rằng khi hệ số Reynolds tương đối thấp (Re in ≤ 2,9x103) và dịng
nhiệt thấp (ví dụ: 29,7-58,1 kW/m2 ), nhiệt độ cục bộ của vách tăng liên tục dọc theo
ống giống với nhiệt độ cục bộ của vách đối với dòng chảy lên và xuống. Tuy nhiên,
đối với các dịng nhiệt cao (ví dụ: 113 kW/m 2), nhiệt độ cục bộ của vách tăng lên đầu
tiên, sau đó giảm xuống và tăng trở lại dọc theo ống, với hệ số truyền nhiệt đối lưu đối
với dòng chảy xuống lớn hơn dịng chảy trở lên. Các phân tích chỉ ra rằng đối với các
ống nhỏ như thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu hiện tại, hiệu ứng nổi đều khá nhỏ
ngay cả khi nhiệt độ gia tăng tương đối mạnh, trong khi đó gia tốc dịng chảy do sưởi
16

ấm cho các điều kiện này ảnh hưởng mạnh đến sự nhiễu loạn và làm giảm sự truyền
nhiệt cho dòng nhiệt cao.
Yun và Kim [4] cho thấy: các đặc tính truyền nhiệt khi sôi của CO 2 trong các
kênh micro được khảo sát thực nghiệm bằng cách thay đổi điều kiện hoạt động và
đường kính thủy lực của các kênh micro. Hệ số truyền nhiệt trung bình của CO 2 cao
hơn 53% so với R134a. Ảnh hưởng của dòng nhiệt đến hệ số truyền nhiệt CO 2 nhiều
hơn đáng kể so với R134a. Khi dòng nhiệt tăng, hệ số truyền nhiệt trở nên cao hơn ở
tất cả các điều kiện kiểm tra trước khi khô. Jiang và cộng sự [5] cho rằng: Đối với số
Reynolds tương đối cao (Rein ≥4.0x103) cho cả khi dịng nhiệt thấp và cao, thì nhiệt độ
cục bộ của vách tăng đơn điệu dọc theo ống mini cho cả dịng chảy lên và xuống mà
khơng có sự phân bố nhiệt độ bất thường cũng như hiệu ứng nổi và gia tốc dịng chảy
là khơng đáng kể. Ngồi ra nhóm của ơng cũng đã thành cơng trong việc mơ phỏng số
sử dụng các mơ hình nhiễu loạn khác nhau để dự đốn chính xác sự trao đổi nhiệt đối
lưu của CO2 tại áp suất siêu tới hạn trong ống mini thẳng đứng khi số Reynolds tương
đối cao và khi dịng nhiệt q cao với mơ hình nhiễu loạn k-ε. Zhang và đồng sự [6] đã
tiến hành nghiên cứu về hệ số truyền nhiệt ngưng tụ môi chất CO 2 và sự chênh áp
trong thiết bị ngưng tụ kênh mini với các ống nhẵn bóng có đường kính trong 0.9 mm
và đã đưa ra kết luận rằng nghiên cứu của Thome [7] đã được áp dụng cho hệ số
truyền nhiệt ngưng tụ môi chất CO2 trong ngưng tụ kênh mini, trong sai số tương đối ±
30%; Và nghiên cứu của Friedel [8] có thể được áp dụng cho sự chênh áp suất của
dòng hai pha CO2 trong thiết bị ngưng tụ kênh mini, trong khoảng sai số tương đối ±
30%.
Kim cùng Bullard [9] kiểm tra và đánh giá hiệu suất nhiệt của thiết bị bay hơi
kênh micro sử dụng mơi chất CO 2 trong hệ thống điều hịa khơng khí. Mơ hình này đã
được phát triển dựa trên cơ sở của các phần tử hữu hạn, với việc nhấn mạnh nhiệt độ
về phía khơng khí và các q trình chuyển đổi khối lượng. Schael và Kind [10] đã
nghiên cứu về mơ hình dịng chảy và đặc tính truyền nhiệt của CO 2 trong ống có cánh
kênh micro đồng thời so sánh với ống trơn. Kết quả cho thấy rằng hệ số truyền nhiệt
trong ống có cánh kênh micro là cao hơn đáng kể so với ống trơn. Hệ số truyền nhiệt
tăng khi lưu lượng khối lượng thấp (75-250 kg/m2s) nhưng lại giảm khi lưu lượng khối

lượng được tăng lên đến 500 kg/m2s. Austin và Sumathy [11] đã nghiên cứu về CO 2
17


trong bơm nhiệt và hệ thống lạnh, những ưu nhược điểm của mơi chất CO 2. Nghiên
cứu với các lí thuyết và thực nghiệm về hiệu suất và lợi ích về bơm nhiệt áp suất cao
tuần hoàn sử dụng từ đầu những năm 1990. Khi hệ thống thương mại ngày càng phát
triển, hiệu suất hệ thống tới hạn được cải thiện đến mức ứng dụng được cho hệ thống
bơm nhiệt thơng thường. Báo cáo bắt đầu với việc tóm tắt sử dụng CO 2 như một môi
chất lạnh và sự khác biệt của hệ thống lạnh áp suất trên tới hạn, sau đó chứng minh
hiệu suất chu trình trên tới hạn bằng số liệu. Nghiên cứu này sau đó sẽ trình bày một
bài đánh giá nghiên cứu về hệ thống bơm nhiệt trên tới hạn dùng môi chất lạnh CO 2,
trong đó bao gồm các thành phần hệ thống, cấu hình và sửa đổi và những yếu tố ảnh
hưởng đến hiệu suất hệ thống tổng thể như thế nào. Yun cùng cộng sự [12] đã phân
tích số liệu một thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
Hệ số truyền nhiệt về phía mơi chất lạnh và khơng khí, độ tụt áp được tính tốn bằng
cách sử dụng những liên hệ có sẵn đã phát triển cho bộ trao đổi nhiệt kênh micro. Để
kiểm chứng các mơ hình hiện tại, các phương pháp kiểm tra hiệu suất của các thiết bị
trao đổi nhiệt kênh micro đã được tiến hành ở các điều kiện thử nghiệm khác nhau với
mơi chất lạnh R-134a. Các mơ hình hiện nay mang lại sự tương quan tốt với các tỉ lệ
truyền nhiệt được đo, thể hiện độ lệch trung bình là 6,8%. Hiệu suất của các thiết bị
bay hơi kênh micro cho các hệ thống CO2 có thể được cải thiện bằng cách thay đổi tốc
độ dòng chảy trên từng tấm và thay đổi khoảng cách các cánh để tăng vùng hai pha ở
kênh micro. Dựa trên sự so sánh về hiệu suất của các thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro
với các thiết bị trao đổi nhiệt ống có cánh được thiết kế cho các hệ thống CO 2 đã được
xem xét rằng sự sắp xếp của vận tốc tấm và hút gió trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro
cần phải được tối ưu hóa bằng cách xem xét kích thước bộ trao đổi nhiệt, điều kiện
khơng khí đầu ra và năng suất yêu cầu.
Liên quan đến quá trình q lạnh trong các hệ thống điều hịa khơng khí
Azzouzi và cộng sự [13] đã nghiên cứu về những ảnh hưởng của quá trình quá lạnh

của dàn ngưng tụ giải nhiệt bằng khơng khí đối lưu tự nhiên cánh tản nhiệt bằng dây
thép đến hệ thống điều hịa khơng khí, nghiên cứu này cung cấp những phân tích tham
số của hiệu ứng quá lạnh đối với hệ số COP của hệ thống làm lạnh này khi sử dụng
môi chất R134a, R12 và R600a theo các tỷ số áp suất khác nhau. Nghiên cứu này đã
đóng góp cho sự phát triển của một phương pháp phân tích làm cho nó có thể dự đoán
18


tác động của sự quá lạnh cùng với bề mặt ngưng tụ phụ. Nghiên cứu đã cho thấy rằng
COP tăng với sự gia tăng của nhiệt độ quá lạnh cho cả ba chất làm lạnh. Trong khoảng
nhiệt độ quá lạnh từ 0°C đến 8°C, R600a thể hiện sự cải thiện tốt nhất hệ số COP và ít
sử dụng bề mặt ngưng tụ phụ hơn so với R134a. Do đó, để tạo ra một nguồn lạnh có
giá trị kinh tế cao chúng ta cần cân nhắc để thay thế môi chất R134a bởi R600a. Bên
cạnh đó Pottker và Hrnjak [14] đã nghiên cứu về sự tác động của quá lạnh đến các loại
mơi chất lạnh trong hệ thống có sử dụng và không sử dụng hệ thống trao đổi nhiệt bên
trong (IHE). Kết quả là đối với R134a và R1234yf COP xảy ra tối đa do kết quả của sự
cân bằng giữa tăng hiệu quả làm lạnh, do giảm nhiệt độ thốt ra của bình ngưng và
tăng cơng nén riêng do sự gia tăng áp suất ngưng tụ. Từ kết quả thí nghiệm khi khơng
có bộ trao đổi nhiệt bên trong, kết luận rằng COP của hệ thống hoạt động với R1234yf
có lợi nhiều hơn từ việc ngưng tụ quá lạnh hơn so với R134a vì sự khác biệt về tính
chất nhiệt động lực. Pottker và Hrnjak cũng đã chứng minh được các chất làm lạnh có
nhiệt ẩn hóa hơi lớn thì q trình q lạnh sẽ cho hiệu quả khơng cao. Các phân tích
thực nghiệm cho R134a và R124yf cũng xác nhận rằng sự có mặt của bộ trao đổi nhiệt
bên trong làm giảm đáng kể mức tăng COP do sự quá lạnh của thiết bị ngưng tụ, vì cả
hai cải tiến sẽ cạnh tranh để giảm tổn thất tiết lưu. Nghiên cứu đã chứng minh rằng nếu
khơng có bộ trao đổi nhiệt bên trong, cải thiện COP tối đa do quá lạnh dàn ngưng bằng
18% so với 9% đối với hệ thống có trao đổi nhiệt bên trong. Một hệ thống có trao đổi
nhiệt bên trong có thể làm giảm nhẹ ảnh hưởng của việc quá lạnh dàn ngưng. Bên cạnh
sự can thiệp giữa hệ thống có trao đổi nhiệt bên trong và quá lạnh của dàn ngưng, việc
sử dụng cả hai đồng thời vẫn mang lại cho hệ thống điều hịa khơng khí hiệu quả hơn,

đặc biệt là cho R1234yf. Về ảnh hưởng của quá lạnh đến hiệu quả làm việc của hệ
thống lạnh và sự tàn phá exergy đã được Min-Hsiung Yang và Rong-Hua Yeh [15]
nghiên cứu và đưa ra những nhận xét:
1. Độ quá lạnh tối ưu cho hệ thống làm lạnh nén hơi từ 2°C÷6°C để tiết kiệm

chi phí ban đầu và từ 4°C ÷ 7°C cho tổng số sự phá hủy exergy đối với
R134a, R22, R410A và R717.
2. Giảm nhiệt độ bốc hơi và tăng nhiệt độ ngưng tụ làm tăng giá trị cực đại
của γ. Mức độ quá lạnh tối ưu cho γ cực đại sẽ bị ảnh hưởng mạnh bởi nhiệt
độ ngưng tụ, nhưng nó gần như độc lập với nhiệt độ bốc hơi.

19


3. Nhiệt độ thấp của nước làm mát trong bình ngưng sẽ làm cải thiện đáng kể

hiệu quả hoạt động, truyền nhiệt, sự phá huỷ exergy và mở rộng mức độ tối
ưu cho việc quá lạnh trong hệ thống làm lạnh nén khí.
Pottker và Hrnjak [16] đã nghiên cứu về tác động của hiện tượng quá lạnh ở
thiết bị ngưng tụ đến hoạt động của hệ thống lạnh và đã chỉ ra rằng sự gia tăng áp suất
ngưng tụ có liên quan đến sự giảm chênh lệch nhiệt độ môi chất lạnh và hệ số truyền
nhiệt của chất làm lạnh một khi vùng hai pha trong thiết bị ngưng tụ thu nhỏ để thích
ứng với vùng lỏng quá lạnh. Bài báo này cũng cho thấy các tính chất nhiệt động liên
quan đến sự gia tăng tương đối của hiệu quả làm lạnh, ví dụ nhiệt dung riêng của mơi
chất dạng lỏng và nhiệt ẩn của môi chất dạng hơi, là hai nhân tố chiếm ưu thế để xác
định sự cải thiện COP tối đa khi dùng quá lạnh. Các chất làm lạnh có nhiệt ẩn hóa hơi
lớn, như R717 và R718, khi sử dụng thiết bị ngưng tụ có quá lạnh thường không cho
hiệu quả cao. Đối với một hệ thống điều hịa điển hình, các kết quả mơ phỏng chỉ ra
rằng R1234yf sẽ cho hiệu quả cao nhất từ việc quá lạnh ở dàn ngưng so với R410A,
R134a và R717 do nhiệt ẩn hóa hơi nhỏ hơn. Ở điều kiện nhiệt độ thấp hơn môi chất

dưới tới hạn như R744 có thể có tiềm năng cải thiện COP tốt hơn khi dùng quá lạnh so
với R410A và R717.
Ma cùng cộng sự [17] đã nghiên cứu thí nghiệm về hệ số làm lạnh của van điện
từ. Trong nghiên cứu này đã nêu lên những yếu tố ảnh hưởng đến hệ số lưu lượng môi
chất lạnh của van điện từ, tạo cơ sở lý luận cho việc thiết kế van tiết lưu sử dụng trong
hệ thống làm lạnh. Qua nhiều thí nghiệm, sử dụng nhiều loại môi chất lạnh khác nhau,
các phân tích lý thuyết đã được thực hiện, nhiều kết quả thu được qua sự đóng/mở van,
giảm áp suất, lưu lượng đầu vào, khối lượng đầu ra, cụ thể là nửa đầu van và nửa sau
van. Nhiều kết quả đã được thu thập, và kết quả cho thấy sai lệch trong khoảng từ
-6,5% đến 6,5%, cơng thức này có thể áp dụng trong việc thiết kế van tiết lưu dùng
cho hệ thống lạnh và hệ thống điều hịa khơng khí để nâng cao hiệu suất và giảm chi
phí.
Zhou và Zhang [18] cũng đã phân tích nhiệt độ ngưng tụ của hệ thống làm lạnh
với van tiết lưu điện từ, ở phương pháp này nhằm xác định điểm đặt van tiết lưu, điểm
đặt này được đặt cố định trong hệ thống lạnh và dựa trên lưu lượng của van tiết lưu
điện từ cài đặt quá trình mở và giảm áp suất. Thực nghiệm này tạo cơ hội hạ thấp nhiệt

20


độ ngưng tụ bằng cách mở van để tăng hiệu suất làm lạnh và duy trì khả năng làm lạnh
theo thông số đã thiết kế. Bài báo cho rằng, lợi ích của phương pháp này bao gồm:
công suất hoạt động của van điện từ được sử dụng hoàn toàn, hệ thống làm lạnh sẽ
hoạt động ở áp suất ngưng tụ thấp hơn và điện năng tiêu thụ của máy nén giảm, do đó
sẽ cải thiện hiệu quả hệ thống.
Joshi cùng cộng sự [19] cũng đã nghiên cứu và đánh giá hiệu suất nhiều loại
van tiết lưu khác nhau trong hệ thống làm lạnh, trong bài báo các tác động của van tiết
lưu được tập trung phân tích, được thử nghiệm với nhiều môi chất lạnh khác nhau như
R22, R12, R407C và R744 trong hệ thống lạnh sử dụng máy nén. Các số liệu tổng
quan thu được từ quá trình thực nghiệm, van tiết lưu ở tiết diện cố định và van tiết lưu

có thay đổi tiết diện và so sánh giữa hai q trình này. Đặc tính làm việc của van, công
suất làm lạnh, điện năng tiêu thụ của máy nén, lưu lượng môi chất và hệ số COP được
tập trung phân tích. Qua bài báo, việc sử dụng van tiết lưu điện tử cung cấp hoạt động
ổng định hơn, đường kính và số vịng ống mao cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ
thống. Khi sử dụng khí CO2 sẽ mang lại hiệu năng tốt hơn.
1.3. Nghiên cứu liên quan trong nước
Các đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi kênh micro dùng môi chất CO 2 đã
được nghiên cứu bởi Trung và Hiếu [20] bằng phương pháp mô phỏng số COMSOL
phiên bản 4.3b qua đề tài NCKH cấp trường trọng điểm 2015. Tổn thất áp suất qua
thiết bị bay hơi kênh micro là không đáng kể từ 38.164 bar xuống 38 bar. Cũng trong
điều kiện mô phỏng, thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro dùng môi chất CO 2 với nhiệt độ
đầu CO2 vào không đổi ở 5oC và vận tốc gió tăng từ 2 đến 5 m/s thì nhiệt độ CO 2 tăng.
Tuy nhiên, khi lưu lượng CO2 thay đổi từ 1,6 đến 3,2 g/s thì nhiệt độ đầu ra của CO 2
trong trường hợp 1,6 g/s cao hơn giá trị thu được trong trường hợp 3,2 g/s.
Từ những nghiên cứu trong và ngoài nước trên đây chúng ta đã có được một cái
nhìn chung tương đối tổng quát về hệ thống lạnh CO2. Tuy nhiên, quá trình quá lạnh và
tiết lưu trong hệ thống điều hịa khơng khí CO 2 chưa được tường minh. Do vậy, việc
nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu quá trình quá lạnh và q trình tiết lưu trong hệ
thống điều hịa khơng khí CO2 bằng phương pháp thực nghiệm” là hết sức cần
thiết.

21


1.4. Mục đích đề tài
Đề tài này tập trung nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của quá trình quá lạnh,
và q trình tiết lưu đến hệ thống điều hịa khơng khí dùng mơi chất CO 2. Thực hiện
q trình tính tốn, xác định các thơng số điểm nút của chu trình. Từ đó sử dụng các số
liệu này để tính tốn ra năng suất lạnh, cơng nén và COP của hệ thống.
1.5. Giới hạn đề tài

Vì thời gian làm đề tài có hạn, trang thiết bị cịn hạn chế nên nhóm chúng em
chỉ tập trung nghiên cứu đề tài trong một phạm vi có giới hạn cụ thể là chỉ thực
nghiệm trên hệ thống có cơng suất 1HP, hệ thống điều hịa khơng khí chạy trên tới hạn
và chỉ nghiên cứu các thơng số phía gas lạnh.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
•
•
•

Tổng quan các tài liệu liên quan
Tính tốn lý thuyết
Thực nghiệm kiểm chứng kết quả

22


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Lý thuyết về phương pháp thực nghiệm
Thực nghiệm là phương pháp thu thập thông tin được thực hiện bởi những quan
sát trong điều kiện gây biến đổi đối tượng khảo sát và môi trường xung quanh đối
tượng khảo sát một cách có chủ định. Phương pháp thực nghiệm được áp dụng phổ
biến không chỉ trong nghiên cứu tự nhiên, kỹ thuật, y học mà cả xã hội và các lính vực
nghiên cứu khác.
Thực nghiêm cho phép tác động lên đối tượng nghiên cứu một cách chủ động,
can thiệp có ý thức vào q trình diễn biến tự nhiên, để hướng quá trình diễn ra theo
mong muốn của nghiên cứu.
2.2. Tổng quan về Cacbon dioxide
2.2.1. Khái niệm về CO2 (R744)
Cacbon dioxide [19] (ký hiệu hóa học là CO 2. ký hiệu môi chất lạnh là R744) là
chất khí tự nhiên – trong khí quyển có khoảng 0,04% CO 2 (370 ppm). CO2 được sinh

ra trong q trình hơ hấp của hầu hết các sinh vật sống và từ các nhà máy. Mặc khác,
môi chất này cũng được sản xuất trong nhiều q trình cơng nghiệp, đặc biệt là q
trình đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch như than đá, khí đốt hoặc dầu để tạo ra năng
lượng.
CO2 là chất khí khơng màu, khơng mùi, tan nhiều trong nước (1,45 kg/m 3),
khơng duy trì sự sống và sự cháy. Tỷ trọng riêng của CO 2 ở 25°C là 1,98 kg/m3, nặng
hơn khơng khí khoảng 1,5 lần. Điểm sôi của CO2 là -78oC, điểm 3 thể là -69,8oF (56,5oC) tại áp suất 75,1 psia (5,2 bar) và điểm tới hạn là 87,8 oF (31,1oC) tại áp suất
1070 psia (73,9 bar).

23


Hình 2.1. Cấu tạo phân tử CO2
Trong cơng nghiệp khí CO2 được điều chế từ các khí sinh ra khi lên men rượu
bia, phân hủy chất béo, từ các khí thu được từ sản xuất hóa chất, như sản
xuất amoniac hoặc tổng hợp methanol, từ khói các nhà máy cơng nghiệp đốt than. Khí
CO2 được chứa trong các bình sơn đen có chữ màu vàng. khi được cung cấp với số
lượng lớn thì chứa trong các tec chứa siêu lạnh. Khí CO2 khơng độc, khơng gây cháy
nổ tuy nhiên khi nồng độ quá cao sẽ gây nguy hại đến sức khỏe con người vì nó nặng
hơn khơng khí nên có thể tích tụ tại nơi kín khí.
Ngồi ra, CO2 lỏng và rắn là chất làm lạnh quan trọng, đặc biệt là trong cơng
nghiệp thực phẩm, trong đó chúng tham gia vào quá trình lưu trữ và vận chuyển các
loại kem và các loại thực phẩm đông lạnh, sử dụng để sản xuất nước giải khát.
2.2.2. Các đồ thị của CO2

Hình 2.2. Sơ đồ vùng chuyển pha của CO2

24

Hình 2.3. Đồ thị lgp – h của CO2

Hình 2.4. Đồ thị T-s của CO2
25