thiết kế và chế tạo hệ thống thí nghiệm cho thiết bị ngưng tụ kênh micro dùng môi chất r134a

LỜI CẢM ƠN
Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy Cô bộ
môn Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật Tp. HCM đã chỉ dẫn chúng tơi tận tình trong suốt thời gian học
tập tại trường. Những kiến thức Thầy Cô đã truyền đạt là nền tảng cơ
sở, là hành trang và định hướng nghề nghiệp cho sự phát triển sau
này. Chính nhờ sự nghiên cứu miệt mài của Thầy Cô từ lý thuyết đến
thực nghiệm và những kinh nghiệm tích luỹ sau nhiều năm giảng dạy
nhằm truyền đạt lại những gì tinh tuý nhất cho thế hệ sau đã giúp
chúng tôi biết trân trọng hơn những gì tiếp thu được sau bốn năm đại
học.
Chúng tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy Đồn Minh
Hùng đã giúp chúng tơi định hướng đề tài, đưa ra những hướng dẫn
kịp thời và giải đáp các thắc mắc để chúng tơi có thể hoàn thành đồ
án này. Tuy đã cố gắng trong suốt q trình thực hiện đồ án nhưng
chắc chắn khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong ý kiến
đóng góp từ q Thầy Cơ cũng như các bạn sinh viên để kết quả của
đồ án này được hoàn thiện hơn.
Một lần nữa chúng tôi xin chân thành cảm ơn!
Tp. HCM, ngày 24 tháng 7 năm 2017
TM nhóm
(Sinh viên)
PHAN MINH TRÍ

1


TĨM TẮT
Ngày nay, nền cơng nghệ khoa học kỹ thuật đã có những bước
phát triển rất đáng kể nhằm đáp ứng nhu cầu của con người, phục
vụ đời sống chúng ta ngày càng tốt hơn. Một công nghệ mới ra đời

và được chú trọng nghiên cứu trong thời gian qua là công nghệ
micro. Được đánh giá là một trong những lĩnh vực khoa học công
nghệ quan trọng nhất trong thế kỷ 21, cơng nghệ này là chìa khóa
tạo ra các ngành công nghiệp mới, các sản phẩm công nghệ cao
thông qua những nghiên cứu mang tính đột phá. Gắn liền với công
nghệ này là thiết bị micro đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng
rãi trong cuộc sống hiện đại góp phần vào việc tăng hiệu quả cơng
việc, giảm chi phí đầu tư, tiết kiệm nguyên vật liệu, dễ dàng vận
hành và quan trọng hơn hết là diện tích mặt bằng lắp đặt nhỏ gọn
cho phù hợp với nền kinh tế, với tốc độ đơ thị hóa ngày càng cao của
mỗi quốc gia trên thế giới.
Sau quá trình nghiên cứu những bài báo khoa học về các thí
nghiệm với thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro của các nhà khoa học
để học hỏi cách xây dựng hệ thống thí nghiệm và kết hợp với các
kiến thức được học ở đại học, nhóm chúng tơi đã tiến hành thực hiện
đề tài Nghiên cứu tính tốn thiết kế hệ thống thí nghiệm thiết
bị ngưng tụ kênh micro dùng môi chất lạnh R134a có thể sử
dụng để phục vụ cơng việc nghiên cứu các loại thiết bị ngưng tụ.
Trong đề tài này chúng tơi đã tiến hành tính tốn, thiết kế và chế
tạo một hệ thống thí nghiệm thiết bị ngưng tụ và thơng qua q
trình thực nghiệm đánh giá các thơng số đạt được để đề xuất phạm
vi hoạt động của hệ thống thí nghiệm.

2


3


MỤC LỤC

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
l – Công nén, kJ/kg.
G – Lưu lượng khối lượng, kg/s.
h – Enthalpy, kJ/kg.
p – Áp suất, bar.
q – Nhiệt lượng riêng khối lượng, kJ/kg.
Q – Nhiệt lượng, kJ/s.
s – Entropy, kJ/kg.độ.
t – Nhiệt độ, oC.
ε – Hệ số làm lạnh.
∆t – Độ chênh nhiệt độ, oC.
Chỉ số dưới
a, b, c, d, 2, 2’, 2” – Thứ tự.
k – Ngưng tụ.
o – Bay hơi.
ql – Quá lạnh.
qn – Quá nhiệt.

5


DANH MỤC CÁC HÌNH

6

DANH MỤC CÁC BẢNG

7


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Các ngành kỹ thuật đang đóng vai trị chủ chốt trong cơng cuộc
cơng nghiệp hóa - hiện đại hóa của nước ta hiện nay. Cùng với sự phát
triển của khoa học công nghệ, ngành công nghệ Kỹ thuật Nhiệt cũng
đang từng bước cải thiện để đáp ứng các nhu cầu trong công nghiệp
cũng như đời sống. Một trong những vấn đề được các nhà nghiên cứu
để tâm nhất hiện nay đó là làm sao để nâng cao hiệu suất của hệ
thống mà vẫn giữ nguyên hoặc thu nhỏ được kích thước của các thiết
bị trong hệ thống. Các thiết bị giải nhiệt như thiết bị ngưng tụ điều hoà
hoặc thiết bị ngưng tụ của các hệ thống lạnh thông dụng là một trong
những thiết bị được địi hỏi có kích thước nhỏ gọn để thuận tiện cho
việc lắp đặt nhất là đối với những nơi có mặt bằng nhỏ hẹp như chung
cư, các toà nhà cao tầng,... Bên cạnh những yêu cầu về kích thước thì
những u cầu về hiệu suất của thiết bị, giá thành đầu tư chế tạo cũng
đòi hỏi phải có sự nghiên cứu cải tiến để có thể đáp ứng được nhu cầu
sử dụng ngày càng tăng của các lĩnh vực kỹ thuật công nghệ.
Nắm bắt được những u cầu đó, các nhà khoa học khơng ngừng
nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao hiệu suất của thiết bị theo
nhiều cách thức khác nhau. Nhiều thí nghiệm đã được thực hiện để có
thể thu gọn được kích thước của thiết bị mà vẫn có hiệu quả tốt, chi phí
chế tạo, lắp đặt hợp lý.
Trong những năm đầu của thế kỷ 21, công nghệ micro được rất
nhiều nhà khoa học chú trọng nghiên cứu và đã được áp dụng vào

những bộ trao đổi nhiệt của các hệ thống công nghệ thuộc nhiều lĩnh
vực khác nhau và kết quả thu được ngày càng khả quan như khả năng
trao đổi nhiệt tăng lên, kích thước của những bộ trao đổi nhiệt giảm
xuống, hiệu suất truyền nhiệt ngày càng được cải thiện. Đây là tiền đề
cho việc phát triển những bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn có hiệu suất cao
đáp ứng được yêu cầu của các lĩnh vực công nghệ kỹ thuật.
8


Nhận thức được sự quan trọng của việc phát triển cơng nghệ
micro, nhóm chúng tơi quyết định tìm hiểu và nghiên cứu tính tốn
thiết kế một hệ thống để thí nghiệm thiết bị ngưng tụ kênh micro. Từ
đó, nhóm sẽ đề xuất được phạm vi hoạt động của hệ thống giúp người
sử dụng hệ thống lựa chọn các hình thức và thiết bị để thí nghiệm cho
phù hợp.
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu
Cho đến nay đã có nhiều cơng trình nghiên cứu trong và ngồi
nước về sự vận hành cũng như sự ảnh hưởng của các thông số thiết kế
và một vài yếu tố khác đến thiết bị ngưng tụ, đặc biệt là thiết bị ngưng
tụ kênh micro.
Goker và cộng sự [1] đã xây dựng mơ hình thí nghiệm một thiết
bị ngưng tụ kênh micro dùng môi chất R134a để nghiên cứu các ảnh
hưởng của các thông số như lưu lượng khối lượng khơng khí giải nhiệt,
chiều cao cánh tản nhiệt, độ nghiêng cánh tản nhiệt và đường kính ống
tới hệ số phát sinh entropy và chiều dài của thiết bị trao đổi nhiệt. Với
lưu lượng khối lượng không khí giải nhiệt là 0,08 kg/s và chiều dài cánh
tản nhiệt là 1,3 mm sẽ đạt được hệ số phát sinh entropy tối ưu nhất.
Đường kính ống tối ưu được xác định là 500 μm và chiều dài thiết bị sẽ
càng nhỏ khi lưu lượng khối lượng khơng khí giải nhiệt càng lớn.
Gustavo Pottker và cộng sự [2] giới thiệu một nghiên cứu lý

thuyết về sự ảnh hưởng của độ quá lạnh trong thiết bị ngưng tụ kênh
micro tới hiệu suất của những hệ thống sử dụng hơi nén. Nghiên cứu
chỉ ra rằng khi độ quá lạnh tăng thì COP tăng đến một giá trị lớn nhất
đến khi độ chênh enthalpy giữa đầu vào và đầu ra của thiết bị bay hơi
nhỏ hơn độ tăng công nén riêng của chu trình thì COP bắt đầu giảm.
Với nhiệt độ ngưng tụ 35oC và nhiệt độ bay hơi 27oC cả 4 môi chất được
thí nghiệm (R1234yf, R410A, R134a, R717) đều đạt COP cao nhất tại
độ quá lạnh xấp xỉ 9 oC. Qua nghiên cứu này, có thể thấy các mơi chất
có nhiệt ẩn hố hơi nhỏ thì có lợi hơn khi độ quá lạnh tăng. Kết quả
nghiên cứu được chỉ ra bằng đồ thị dưới đây.
9


Hình 1. 1 – Độ tăng COP ứng với từng độ quá lạnh
Gustavo Pottker và cộng sự [3] giới thiệu một nghiên cứu thực
nghiệm về sự ảnh hưởng của độ quá lạnh trong thiết bị ngưng tụ của
một hệ thống điều hồ khơng khí dùng mơi chất R134a và R1234yf
dưới những điều kiện vận hành giống nhau. Các nhà nghiên cứu sử
dụng một hệ thống điều hồ khơng khí có lắp đặt bộ hồi nhiệt, qua đó
nghiên cứu sự tăng giảm của giá trị COP khi thay đổi độ quá lạnh trong
thiết bị ngưng tụ. Qua các kết quả từ thực nghiệm, có thể thấy đối với
hệ thống có lắp bộ hồi nhiệt thì độ tăng COP khi tăng độ quá lạnh
không lớn bằng hệ thống không lắp bộ hồi nhiệt. Kết luận được rút ra
từ đồ thị dưới đây.

Hình 1. 2 – Độ tăng COP khi có hồi nhiệt và khi khơng có hồi nhiệt
10


Đối với hệ thống có sử dụng hồi nhiệt tuy COP cao hơn (từ 1,93

đến 2,11) nhưng độ tăng lại khơng cao bằng hệ thống khơng có hồi
nhiệt (chỉ tăng 9% so với 18% của hệ thống khơng có hồi nhiệt). Từ đó
có thể kết luận rằng hệ thống có sử dụng hồi nhiệt làm giảm độ tăng
COP của hệ thống. Ngồi ra cả hai hệ thống có hồi nhiệt và khơng có
hồi nhiệt đều giảm được tổn thất tiết lưu và sẽ có lợi hơn khi sử dụng
hồi nhiệt đối với hệ thống dùng môi chất R1234yf.
Đánh giá sự ngưng tụ của kênh micro và đặc điểm trong mô phỏng
số hố Xiu-Wei Yin cùng cộng sự [4] đã trình bày q trình phát triển
của mơ hình số hố thiết bị ngưng tụ dựa trên phương pháp thể tích
hữu hạn, xem xét tổng quan sự ảnh hưởng của nhiệt độ và vận tốc của
khơng khí đến hiệu suất. Kết quả được xác nhận với 45 điểm kiểm tra
trong phịng thí nghiệm bao gồm thí nghiệm với 1 thiết bị ngưng tụ và
2 thiết bị ngưng tụ ghép đơi. Dịng khơng khí khơng đồng nhất có ảnh
hưởng đáng kể đến hiệu suất thông qua sự phân bố không đồng đều
lưu lượng môi chất trong các đường ống của thiết bị ngưng tụ. Đối với
thí nghiệm sử dụng 1 thiết bị ngưng tụ, dịng khơng khí khơng đồng
nhất có ảnh hưởng 1,5% đến sự truyền nhiệt, 6,8% sự chênh lệch áp
suất và 12,5% lượng mơi chất nạp. Đối với thí nghiệm 2 thiết bị ngưng
tụ ghép đơi, dịng khơng khí khơng hồ trộn trong khoảng không gian
giữa 2 thiết bị làm giảm 0,5% năng suất tổng, làm tăng 9,7% độ chênh
lệch áp suất đối với dịng khơng khí khơng đồng nhất đi vào thiết bị thứ
nhất. Kết quả còn cho thấy dòng khơng khí khơng đồng nhất có ảnh
hưởng lớn hơn đối với thí nghiệm 2 thiết bị ghép đơi. Tỷ lệ tối ưu đối với
số ống trong mỗi pass cũng được đề xuất thông qua nghiên cứu này.
Đối với hệ thống lắp đặt 1 thiết bị ngưng tụ, tỷ lệ số ống là 2,5:1với 2
pass và 4:2:1 với 3 pass. Đối với hệ thống có 2 thiết bị ngưng tụ ghép
đơi, nếu thiết bị thứ 2 chỉ có 1 pass đơn và thiết bị thứ nhất có 2 pass
thì tỷ lệ được đề xuất là 2:1 đối với thiết bị thứ nhất.
Để tối ưu được kích thước thiết bị ngưng tụ kênh micro dạng ống
uốn ziczac dùng môi chất R209, Liang-Liang Shao cùng cộng sự [5]

11


đã đưa ra một mơ hình số hố về loại thiết bị ngưng tụ này, các kết
quả tính tốn cho thấy phù hợp với kết quả thực nghiệm. Qua phân
tích các kết quả đạt được cho thấy số lượng pass uốn cong, số lượng
đường ống trong thiết bị và độ dài ống góp đầu vào là những thơng số
thiết kế cơ bản đối với năng suất của thiết bị, độ chênh áp suất của
môi chất và lượng môi chất nạp vào hệ thống. Ít pass uốn cong hơn
nghĩa là phải tăng số lượng đường ống của thiết bị và làm ngắn lại ống
góp đầu vào của thiết bị, do đó năng suất thấp, độ chênh áp suất thấp,
lượng môi chất nạp thấp và ngược lại. Nghiên cứu chứng minh được
năng suất thiết bị sẽ cao hơn khi dịng khơng khí giải nhiệt cho thiết bị
được phân bố đồng nhất, đồng thời khi thiết kế hoặc lắp đặt hệ thống
phải hạn chế sự chiếm diện tích của các luồng khơng khí có tốc độ thấp
trên bề mặt thiết bị vì điều này làm giảm 20% hiệu suất.
Jun Li cùng cộng sự [6] đã giới thiệu sự bay hơi của dòng chảy 2
pha trong bình ngưng tụ và thảo luận về ứng dụng của nó. Các nhà
nghiên cứu cố gắng tăng hiệu suất truyền nhiệt chung bằng cách sử
dụng hệ số truyền nhiệt lớn từ phía dịng hơi. Nhóm nghiên cứu giải
thích lợi ích của việc tách riêng 2 pha hơi và lỏng và lý do làm tăng
hiệu suất của bình ngưng tụ. Các nghiên cứu được thực hiện trên 1
bình ngưng tụ kín kênh micro sử dụng mơi chất R134a. Nghiên cứu chỉ
ra rằng nhiệt độ trong quá trình ngưng tụ thốt ra thấp hơn 1,3K so với
bình ngưng tụ thơng thường, áp suất ngưng tụ giảm trong khoảng 2%.
Jun Li cùng cộng sự [7] trình bày các kết quả của một nghiên cứu
thực nghiệm để xác định sự ảnh hưởng của việc tách hơi và lỏng trong
ống góp đầu vào của bộ ngưng tụ kênh micro cho một hệ thống điều
hồ khơng khí di động (Mobile Air Coditioning) . Mơi chất sử dụng trong
hệ thống là R134a. Trong kiểm tra về mức độ trao đổi nhiệt họ nhận

thấy rằng ở cùng nhiệt độ nước vào và nước ra, thiết bị ngưng tụ có sự
tách hai pha hơi-lỏng có tốc độ dịng chảy thấp hơn từ 1,6% đến 7,4%
so với bình ngưng tụ thông thường đồng thời làm giảm nhiệt độ của
mơi chất rời thiết bị với cùng tốc độ dịng chảy. COP giữa hai hệ thống
12


được so sánh với cùng độ quá nhiệt, quá lạnh và năng suất làm lạnh.
Hệ thống có thiết bị ngưng tụ tách hai pha hơi-lỏng có COP cao hơn
6,6%.
Các thơng số kích thước của thiết bị cũng là một yếu tố quan trọng
ảnh hưởng đến sự vận hành của thiết bị, vấn đề này được Zhang
Huiyong và cộng sự [8] tìm hiểu thơng qua việc nghiên cứu một mơ
hình lý thuyết về thiết bị ngưng tụ kênh micro cho hệ thống lạnh dân
dụng nhằm tìm được thơng số thiết kế tối ưu cho thiết bị với số lượng
và chiều dài đường ống khác nhau. Kết quả của nghiên cứu chỉ ra rằng
chiều dài đường ống tỷ lệ nghịch với số lượng và đường kính ống, và
việc sử dụng thiết bị ngưng tụ kênh micro giúp giảm giá thành chế tạo
thiết bị.
Ebrahim Al-Hajri và cộng sự [9] đã nghiên cứu sự truyền nhiệt
và sự chênh lệch áp suất đối với sự ngưng tụ của một thiết bị ngưng tụ
kênh micro có tỷ lệ kích thước lớn dùng mơi chất R134a và R245fa.
Kích thước của thiết bị ngưng tụ được xác định như sau: rộng 0,4 mm,
cao 2,8 mm và dài 190 mm. Sự ảnh hưởng của tốc độ lưu lượng khối
lượng, nhiệt độ bão hoà và độ quá nhiệt đã được phân tích. Kết quả
cho thấy:
•

Hệ số truyền nhiệt và sự chênh lệch áp suất giảm xuống khi nhiệt

độ bão hoà tăng lên.
• Tăng lưu lượng khối lượng làm tăng hệ số truyền nhiệt và sự giảm áp
suất.
• Hệ số truyền nhiệt có một ít ảnh hưởng đến độ q nhiệt, trong khi
đó độ giảm áp suất khơng có ảnh hưởng nào đáng kể.
• Mơi chất R245fa có hệ số truyền nhiệt cao hơn 25% so với R134a ở
cùng điều kiện vận hành.
• Sự giảm áp suất của R245fa cao hơn 100% so với R134a ở cùng điều
kiện vận hành.
Long Huang cùng cộng sự [10] đã phát triển một mơ hình mới
của những thiết bị ngưng tụ kênh micro với cấu trúc hình học đa dạng.
Mơ hình này đáp ứng được u cầu nghiên cứu về các thơng số hình
13


học như loại cánh, chiều của cánh, cấu trúc hình học của đường ống,
hình dạng cổng vào, và vị trí của những đường ống và cánh. Các nhà
nghiên cứu đã xác nhận mơ hình mới với dữ liệu thực nghiệm từ 8
nguồn khác nhau, 8 lưu chất khác nhau và với 18 cấu trúc hình học của
các bộ trao đổi nhiệt kênh micro. Sự sai khác tuyệt đối với sự truyền
nhiệt là 2,7% và với sự chênh áp suất là 28%. Các mơ hình của các
thiết bị ngưng tụ kênh micro được sử dụng trong thí nghiệm trên thể
hiện ở Hình 3.
a) Mơ hình thử nghiệm tiêu chuẩn 1

b) Mơ hình thử nghiệm 2 (có thay đổi hình dạng)

c) Mơ hình thử nghiệm 3 (ghép đơi)

d) Mơ hình thử nghiệm 4

14


Hình 1. 3 – Các mơ hình được sử dụng trong thí nghiệm của Long
Huang
Bo Xu và cộng sự [11] thực hiện một nghiên cứu dựa trên thực
nghiệm và mô hình số hố về một thiết bị ngưng tụ kênh micro trong
một hệ thống lạnh dân dụng. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi giảm
đường kính trong của đầu vào thiết bị (từ 6 mm đến 4 mm) thì lượng
mơi chất trong thiết bị ngưng tụ giảm (từ 6,9% đến 45,5%) và hầu như
không làm giảm hiệu suất của hệ thống, và với cách bố trí dịng mơi
chất trong thiết bị kiểu thuận dịng (để khơng khí có nhiệt độ thấp tiếp
xúc với mơi chất có nhiệt độ thấp trước) thì sẽ làm giảm phần lỏng mơi
chất trong thiết bị và làm giảm lượng môi chất nạp.
Sự ngưng tụ của môi chất trong thiết bị ngưng tụ kênh micro được
J.S. Hu và cộng sự [12] nghiên cứu bằng thực nghiệm. Trong 5 hình
thái ngưng tụ đạt được qua thí nghiệm, các nhà nghiên cứu khẳng định
sự ngưng tụ với hình thái sủi bọt chậm chiếm đa số trong thiết bị
ngưng tụ kênh micro. Từ các kết quả thí nghiệm, có thể thấy ở cùng
một hệ số Reynold thì thiết bị ngưng tụ kênh micro với kích thước
đường kính ống nhỏ hơn có hệ số truyền nhiệt cao hơn. Sự chênh lệch
áp suất trong thiết bị ngưng tụ kênh micro cũng cao hơn do sự mất mát
trong quá trình chuyển đổi pha. So với hệ thống macro, hệ số truyền
nhiệt trong hệ thống micro cao hơn và hệ số ma sát cũng thấp hơn,
điều này tạo tiền đề tốt cho sự phát triển của các hệ thống micro.
Để tối ưu hoá hiệu suất của thiết bị ngưng tụ kênh micro mà khơng
thay đổi kích thước của nó Mohammad và cộng sự [13] đã tiến hành
thí nghiệm mơ phỏng hoạt động của một thiết bị ngưng tụ kênh micro
và so sánh kết quả thu được với thông số đo đạc từ một mơ hình thực

nghiệm. Kết quả thu được cho thấy sự tương đồng giữa kết quả mô
phỏng và thực nghiệm chứng tỏ sự chính xác của mơ phỏng là khá cao.
Qua nghiên cứu, người ta nhận thấy khi tăng đường kính ống từ giá trị
nhỏ nhất tới lớn nhất sẽ gây giảm tỷ lệ truyền nhiệt xuống khoảng 8%
và sự chênh lệch áp suất cũng giảm 94%. Ngồi ra các thơng số khác
15


liên quan đến thiết kế của thiết bị ngưng tụ kênh micro như hình dáng
cánh tản nhiệt, góc nghiêng của cánh,... khơng có sự ảnh hưởng đáng
kể nào đến các thông số khác của thiết bị.
Nghiên cứu sử dụng mô hình tốn học động học nghiên cứu về
thiết bị ngưng tụ làm mát bằng khơng khí của Xing Xue và cộng sự
[14] đã chỉ ra tầm quan trọng của thiết bị ngưng tụ trong sự hoạt động
của hệ thống đồng thời khẳng định thiết bị ngưng tụ luôn hoạt động với
điều kiện thay đổi liên tục. Các điều kiện được nghiên cứu bao gồm sự
thay đổi tốc độ máy nén, nhiệt độ khơng khí đầu vào, lưu lượng khơng
khí đầu vào; đồng thời các thông số trạng thái đều được biểu hiện dưới
dạng hàm của nhiệt độ. Với một hoặc nhiều điều kiện vận hành thay
đổi kéo theo các thông số khác thay đổi: a) Khi tốc độ máy nén tăng
làm lượng môi chất chứa trong đường ống tăng dẫn đến áp suất ngưng
tụ tăng, b) Nhiệt độ khơng khí giải nhiệt tăng làm tăng áp suất ngưng
tụ do sự trao đổi nhiệt giảm, c) Khi tốc độ của dòng khơng khí giải
nhiệt tăng thì áp suất ngưng tụ giảm do sự truyền nhiệt tăng lên.
Tiếp tục nghiên cứu về các thơng số hình học và kích thước của
thiết bị ngưng tụ kênh micro, Santiago và cộng sự [15] thực hiện một
nghiên cứu về mơ hình số hố của thiết bị ngưng tụ kênh micro. Các
thông số thiết kế được đề cập đến trong nghiên cứu bao gồm số lượng
pass về phía mơi chất, tỷ lệ kích thước của thiết bị và sự ảnh hưởng
của các cánh. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng số pass của thiết

bị làm tăng hiệu quả truyền nhiệt và sự chênh lệch áp suất, tỷ lệ kích
thước tối ưu cũng được đề xuất với tỷ số L/H nên nhỏ hơn 1 (L – Chiều
dài bộ trao đổi nhiệt kênh micro, H – Chiều cao bộ trao đổi nhiệt kênh
micro).
Bằng cách kết hợp giữa mơ hình thực nghiệm và phân tích số hố,
H. El Mghari và cộng sự [16] đã nghiên cứu về sự truyền nhiệt khi
ngưng tụ của một kênh micro đơn dưới các dòng nhiệt biến đổi. Từ các
kết quả đạt được, các nhà nghiên cứu nhận thấy với dòng nhiệt lớn thì
hệ số truyền nhiệt cao hơn và độ dài màng ngưng sẽ ngắn hơn.
16


Với mong muốn giảm lượng môi chất nạp vào hệ thống và thu nhỏ
kích thước hệ thống, Pega và cộng sự [17] đã nghiên cứu một mơ hình
thực nghiệm sử dụng 2 loại thiết bị ngưng tụ kênh micro bao gồm loại
có nhiều ống thẳng lắp song song (đường kính ống 0,7 mm) và loại ống
uốn cong ziczac (đường kính ống 4,06 mm). Khi so sánh lượng môi chất
nạp vào hệ thống, các nhà nghiên cứu nhận thấy với thiết bị ngưng tụ
kênh micro có nhiều ống thẳng lắp song song thì lượng mơi chất nạp
nào ít hơn 53% so với loại có ống uốn cong ziczac, và lượng mơi chất
nạp vào là 18 g/kW so với 100 g/kW như những hệ thống khác. Thiết bị
ngưng tụ kênh micro với nhiều ống thẳng có hệ số truyền nhiệt cao hơn
từ 60% đến 80% so với thiết bị ngưng tụ micro có ống uống cong ziczắc. Và với thể tích nhỏ của kênh micro nhưng vẫn đảm bảo cùng một
diện tích bề mặt thì kích thước của cả hệ thống sẽ được thu nhỏ lại.
Liang và cộng sự [18] đã giới thiệu một thiết bị ngưng tụ kênh
micro dùng cho hệ thống điều hồ trên ơtơ và phân tích các cải tiến
được thực hiện trên thiết bị này. Thiết bị này được cải tiến thêm ở đầu
vào của thiết bị một trung tâm phân chia môi chất để đảm bảo lượng
môi chất đồng nhất có thể đi vào pass tiếp theo. Kết quả cho thấy
năng suất lạnh gia tăng 9,6% và tốc độ môi chất tăng 13,34% nếu so

sánh với thiết bị ngưng tụ hàng ống thẳng song song bình thường.
Mohammad Hassan Shojaeefard cùng cộng sự [19] đã xây
dựng một phương pháp kết hợp để dự đoán sự phân bố lưu lượng môi
chất dựa trên sự mô phỏng động lực học chất lỏng cho phân tích 3D
(giải quyết các vấn đề bên trong các ống góp đầu vào của thiết bị
ngưng tụ) và phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết các vấn đề
về lưu lượng môi chất trong các đường ống của thiết bị ngưng tụ. Kết
hợp với mô hình thực tế sử dụng thiết bị ngưng tụ kênh micro gồm 4
pass, các nhà nghiên cứu chia nhỏ mỗi đường ống trong mỗi pass làm
210 phần tử và nghiên cứu các đặc tính mơi chất trong từng phần tử.
Bằng cách sử dụng phương pháp kết hợp này, những ảnh hưởng của
một vài thơng số hình học đến sự phân bố sai lưu lượng môi chất như
17


độ nhô ra của đầu các đường ống trong ống góp đầu vào, vị trí gắn ống
đầu vào của thiết bị ngưng tụ, đường kính ống đầu vào thiết bị ngưng
tụ đã được nghiên cứu. Đối với độ nhô ra của đầu các đường ống trong
ống góp đầu vào, khi tng nhụ ny t ẳ n ắ kớch thc đường
kính ống thì làm tăng sự chênh áp suất lên 14% và làm giảm năng suất
thiết bị xuống 3,9%. Đối với vị trí gắn ống đầu vào của thiết bị ngưng
tụ, từ kết quả đạt được có thể kết luận càng gắn ở gần đỉnh của ống
góp đầu vào thì năng suất thiết bị càng lớn.

Hình 1. 4 – Mơ phỏng vị trí ống đầu vào
Đối với đường kính ống đầu vào, khi thay đổi từ 8 đến 12 mm thì
độ giảm áp suất giảm 1 kPa và năng suất tăng lên 126 W. Khi so sánh
kết quả mô phỏng với dữ liệu thực tế thì sự sai khác về độ giảm áp
suất, năng suất ngưng tụ, nhiệt độ môi chất ở đầu ra của thiết bị không
đáng kế (lần lượt là 2,8%; 4,1%; 3%) cho thấy độ chính xác của thiết

bị. Những kết quả đạt được có thể giúp các nhà thiết kế giảm thiểu sự
ảnh hưởng của sự phân bố sai lưu lượng môi chất đến hiệu suất của
thiết bị trao đổi nhiệt.
Bằng việc mơ phỏng số hố, Hicham và cộng sự [20] đã sử dụng
nhiều công thức để tính tốn truyền nhiệt khi ngưng tụ và tìm ra công
thức của Dobson [21] và Koyama [22] là gần với thực tế nhất. Kết
quả đạt được áp dụng cho nhiều thiết bị ngưng tụ kênh micro với nhiều
kiểu hình dáng, nhiều tỷ lệ kích thước, và nhiều thơng số hơi đầu vào.
18


Khi giảm đường kính ống của thiết bị từ 250 μm xuống 80 μm thì giảm
độ dày của màng ngưng và tăng hệ số truyền nhiệt lên khoảng 39%
với cùng lưu lượng khối lượng.
Hasan và cộng sự [23] đã đánh giá sự ảnh hưởng của hình dáng kích thước đến đặc
tính truyền nhiệt và dịng chảy lưu chất của bộ trao đổi nhiệt kênh micro ngược chiều.
Kết quả cho thấy rằng với cùng thể tích bộ trao đổi nhiệt, khi tăng số lượng kênh sẽ làm
giảm hiệu suất và tổn thất áp suất, kênh có biên dạng hình trịn cho kết quả hiệu suất tổng
thể (nhiệt động và thủy lực) cao nhất.
Bằng phương pháp mô phỏng số, Mohammed cùng cộng sự [24] cũng đã nghiên
cứu ảnh hưởng của hình dạng kênh đến sự thay đổi hiệu suất nhiệt và dòng chảy của bộ
trao đổi nhiệt micro. Đối với bộ tản nhiệt micro thì có 3 hình dạng khác nhau là zigzag,
curvy, step được so sánh với bộ tản nhiệt có kênh thẳng và gợn sóng (wavy). Hiệu suất bộ
tản nhiệt kênh micro được đánh giá dựa trên thông số nhiệt độ, hệ số truyền nhiệt, tổn
thất áp suất, hệ số ma sát, ứng suất trượt trên thành kênh. Kết quả là trong cùng một mặt
cắt ngang, kênh micro có hình dạng zigzag cho hệ số truyền nhiệt lớn nhất, tiếp đến là
kênh curvy. Tuy nhiên, sự sụt áp trong bộ tản nhiệt kênh micro cao hơn kênh thẳng và
gợn sóng (wavy). Bộ tản nhiệt kênh micro dạng zigzag có trị số tổn thất áp suất, hệ số ma
sát và ứng suất trượt thành kênh cao nhất.
Kittipong Sakamatapana và cộng sự [25] đã chế tạo hệ thống thí nghiệm đa kênh,

với 14 kênh với đường kính thủy lực 1,1 mm, và 8 kênh với đường kính thủy lực 1,2 mm
được thiết kế như một thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống ngược dịng, với lưu lượng mơi
chất lạnh từ 340 đến 680 kg/m 2, lưu lượng nhiệt 15,20 và 25 kW/m 2 và nhiệt độ bão hòa
35 - 45°C. Kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt trung bình tăng với sự gia tăng chất lượng
hơi, thông lượng khối lượng và dòng nhiệt, nhưng giảm khi nhiệt độ bão hòa tăng.
Sira Saisorna và cộng sự [26] cũng đã làm thí nghiệm để tìm hiểu về sự truyền
nhiệt của dịng hơi chảy trong các kênh micro ngang và dọc khi sử dụng môi chất R134a.
Kết quả cũng chỉ ra rằng sự chuyển đổi chế độ dòng chảy và hệ số truyền nhiệt thường
phụ thuộc vào hướng dòng chảy trong điều kiện thí nghiệm nhất định. Ngồi ra, việc so
sánh giữa dữ liệu thực nghiệm và các dự đoán được đề xuất cho dịng chảy quy mơ lớn
hoặc luồng vi lượng được trình bày trong nghiên cứu này. Từ các dữ liệu cũng cho thấy
rằng hệ số truyền nhiệt dòng chảy thằng đứng cao hơn dòng chảy nằm ngang.
19


S. Yildiz và cộng sự đã [27] nghiên cứu sự truyền nhiệt trong quá trình ngưng tụ hơi
nước của R134a bên trong một ống vây nhỏ có hướng ống khác nhau. Nghiên cứu này
cho thấy sự truyền nhiệt xảy ra trong q trình ngưng tụ hơi lạnh của mơi chất R134a
trong một ống vây nhỏ nghiêng (đường kính 0,008m và dài 0,5m). Các thí nghiệm được
thực hiện ở áp suất hệ thống là 0,74 MPa và góc nghiêng 30°, 38°, 45°, 60° và 90° so với
chiều ngang. Các thí nghiệm chỉ ra góc nghiêng có ảnh hưởng đáng kể đến việc truyền
nhiệt trong quá trình ngưng tụ hồi lưu. Hệ số truyền nhiệt lớn nhất đã được tìm thấy ở
góc nghiêng 30°. Tại sự sắp xếp này, sự truyền nhiệt tăng lên 2,45 so với trường hợp
thẳng đứng. So sánh với các nghiên cứu trước đây cho thấy việc truyền nhiệt trong ống
vây nhỏ gấp 2,2 lần so với ống đồng, và tốt hơn 1,34 lần so với ống hình chữ nhật phẳng
ở độ nghiêng 30°.
G. Goss Jr. và cộng sự [28] đã nghiên cứu về sự truyền nhiệt trong quá trình ngưng
tụ R134a bên trong 8 bộ thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro song song. Trong nghiên cứu
này, hệ số truyền nhiệt cục bộ được khảo sát thực nghiệm trong quá trình ngưng tụ đối
lưu của R134a bên trong 8 micro trịn (đường kính D = 0.77 mm). Các điều kiện đo bao

gồm áp suất, chất lượng hơi, thông lượng nhiệt và khối lượng dao động tương ứng từ 7,3
đến 9,7 bar; 0,55 đến 1, 17 đến 53 kW m -2, và 230 đến 445 kg m-2 s-1. Kết quả cho thấy
vận tốc và chất lượng hơi có ảnh hưởng quan trọng đến hệ số truyền nhiệt.
Yang Zoua và [29] cộng sự đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của dầu lên sự phân bố
R134a trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro với đầu ống góp thẳng đứng. Bài báo này trình
bày dịng chảy của mơi chất R134a và dầu (PAG 46) lên phía trên của bộ trao đổi nhiệt
kênh micro (so với R134a và R410A thuần túy) và ảnh hưởng của nó đến sự phân bố.
Hỗn hợp được đưa vào đầu ống góp thơng qua năm ống ở đáy và thốt ra khỏi năm ống ở
đầu ống góp cho biết dòng chảy trong kiểu bơm nhiệt của bộ phận gia cố ngoài trời trong
các hệ thống đảo chiều. Chất lượng dao động từ 0,2 đến 0,8 và tốc độ dòng chảy từ 1,5
đến 4,5 kg/h trên mỗi ống. Tốc độ tuần hoàn dầu (OCR) dao động từ 0% đến 4,7%.
Zhaogang Qi [30] cũng đã nghiên cứu thí nghiệm về hiệu suất của thiết bị ngưng tụ
kênh micro một pass với các loại môi chất lạnh R22, R410A và R407C trong hệ thống
điều hịa khơng khí dân dụng/thương mại. Các bài kiểm tra được thực hiện trong một
phòng nhiệt lượng kế dưới tải đầy đủ, 75% và 50% điều kiện đầy tải. Kết quả thí nghiệm
cho thấy sự ngưng tụ R410A có lượng chất thải nhiệt cao hơn tụ R22 và R407C lần lượt
20


tương ứng là 15,6 ~ 26,3% và 12,3 ~ 22,7%. Trong khi đó máy cơ đặc R407C có hiệu
suất truyền nhiệt tốt hơn bình ngưng R22 dưới điều kiện đầy đủ và 75% tải trọng nhưng
nhỏ hơn dưới 50% điều kiện tải. Từ các kết quả, sự ngưng tụ nhiệt của thiết bị ngưng tụ
được giữ ở mức không thay đổi khi vận tốc khơng khí tăng từ 2,56 m/s đến 3,10 m/s bởi
vì sự thay đổi nhiệt độ khơng khí bên ngồi rất nhỏ. Kết luận rằng thiết bị ngưng tụ kênh
micro một pass có thể được áp dụng trong điều hịa khơng khí dân dụng/thương mại, để
nâng cao hiệu năng hệ thống khi R22 được thay thế bởi R410A và R407C.
José M. Corberán và cộng sự [31] đã mơ hình hố các thiết bị bay hơi và ngưng tụ
ống vây làm việc với R134A. Một mơ hình mơ phỏng máy tính cho các tấm trao đổi nhiệt
ống vây đã được phát triển, có khả năng tiên đốn sự truyền nhiệt của thiết bị bay hơi
hoặc bình ngưng với độ chính xác ±5% trong phạm vi nghiên cứu. Các phép đo đã được

thực hiện ở thiết bị bay hơi và ngưng tụ của một bộ điều hịa khơng khí nhỏ, cho phép
đánh giá chất lượng giả thiết của mô hình và nghiên cứu về mối tương quan giữa hệ số
truyền nhiệt trong thiết bị bay hơi và ngưng tụ với sự giảm áp suất do ma sát, trong số
yêu cầu được đề cập nhiều nhất trong các tài liệu kỹ thuật, nhất trí với kết quả thực
nghiệm.

21


1.3. Mục đích của đề tài
Đề tài này tập trung nghiên cứu tính tốn các thơng số thiết kế để
lựa chọn các thiết bị cho hệ thống, sau đó tiến hành lắp đặt và chạy
thực nghiệm để thu thập số liệu. Từ các số liệu thực nghiệm thu thập
được chúng tơi có thể đưa ra đề xuất phạm vi hoạt động của hệ thống.
1.4. Giới hạn đề tài
Các số liệu thu được từ thực nghiệm cho thấy phạm vi hoạt động
của hệ thống bị giới hạn do dòng điện làm việc của máy nén.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
- Tống quan các nghiên cứu liên quan.
- Tính tốn các thơng số để lựa chọn các thiết bị trong hệ thống thí
nghiệm.
- Đề xuất mơ hình thí nghiệm.
- Lắp đặt hệ thống để chạy thực nghiệm lấy thông số.
- Thông qua các số liệu thực nghiệm để đề xuất phạm vi hoạt động của
hệ thống.

22


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Cơ sở lựa chọn thiết bị cho hệ thống
2.1.1. Sơ đồ nguyên lý
Sử dụng đồ thị lgp – h để thể hiện chu trình lý thuyết của hệ thống
thí nghiệm.

Hình 2. 1 – Đồ thị lgp - h của chu trình lý thuyết
1 – 2: Quá trình nén đoạn nhiệt đẳng entropy.
2 – 3: Quá trình ngưng tụ đẳng áp.
3 – 4 : Quá trình tiết lưu đẳng enthalpy.
4 – 1: Quá trình bay hơi đẳng áp.
5 – Điểm thuộc vùng lỏng bão hoà có áp suất po dùng để tính tốn các
điểm nút khác.
Sơ đồ hệ thống được đề xuất như sau:

Hình 2. 2 – Sơ đồ hệ thống thí nghiệm
23


1 – Máy nén; 2 – Thiết bị ngưng tụ; 3 – Thiết bị thí nghiệm; 4 – Bình
chứa cao áp;
5 – Dàn bay hơi; 6 – Van tiết lưu tay
Hơi quá nhiệt với áp suất cao sau khi được nén ra khỏi máy nén đi
đến thiết bị ngưng tụ (ở đây sử dụng hai loại thiết bị ngưng tụ là thiết
bị ngưng tụ ống đồng cánh nhôm truyền thống và thiết bị ngưng tụ ống
đồng cánh nhơm kích thước micro) và toả nhiệt cho môi trường xung
quanh để ngưng tụ thành lỏng cao áp. Lỏng cao áp sau đó đi tới bình
chứa cao áp, một lượng lớn lỏng cao áp được trữ lại tại đây. Sau đó lỏng
cao áp tiếp tục đi tới dàn bay hơi, trước khi vào dàn bay hơi lỏng cao
áp qua van tiết lưu tay và áp suất môi chất được hạ xuống áp suất bay
hơi đồng thời chuyển thành dạng vừa lỏng vừa hơi. Hỗn hợp lỏng và hơi

môi chất này đi vào dàn bay hơi, nhận nhiệt của khơng khí xung
quanh, bay hơi và được hút về lại máy nén tiếp tục chu trình.
2.1.2. Cơ sở tính tốn hệ thống
Đối với một hệ thống lạnh thì bốn thiết bị khơng thể thiếu là máy
nén, thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi, van tiết lưu. Tính tốn thiết kế
hệ thống nghĩa là tính tốn cơng suất thiết bị để từ đó đưa ra các số
liệu cơ bản cho việc chọn lựa các thiết bị đó.
Để tính tốn các thơng số của chu trình ta cần xác định trước 2 giá
trị cơ bản là nhiệt độ ngưng tụ tk và nhiệt độ bay hơi to. Từ hai giá trị
này ta bắt đầu tra bảng hơi bão hồ và hơi q nhiệt của mơi chất
R134a để xác định thông số các điểm nút của chu trình.
 Trạng thái điểm nút 1
Trạng thái 1 là điểm nằm trên đường hơi bão hồ khơ nên ta tra
bảng Tính chất nhiệt động của R134a ở trạng thái bão hoà [32] với giá
trị to đã xác định và tra được các thông số bao gồm áp suất ngưng tụ
p1 = po, nhiệt độ t1, enthalpy h1 và entropy s1.
 Trạng thái điểm nút 5
Trạng thái 5 là điểm nằm trên đường lỏng bão hồ nên ta tra bảng
Tính chất nhiệt động của R134a ở trạng thái bão hoà [32] với giá trị to
24


đã xác định và tra được các thông số bao gồm p5 = p1, nhiệt độ t5,
enthalpy h5 và entropy s5.
 Trạng thái điểm nút 3
Trạng thái 3 là điểm nằm trên đường lỏng bão hồ nên ta tra bảng
Tính chất nhiệt động của R134a ở trạng thái bão hoà [32] với giá trị t3
= tk, p3 = pk đã xác định và tra được các thông số bao gồm enthalpy h3
và entropy s3.

25