Báo cáo Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giãn nở/ tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giãn nở/ tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHỊIỆM CÁC THÔNG SỐ NHIỆT ĐỘNG CỦA QUÁ TRÌNH GIÃN NỞ/ TIẾT LƯUTRONG HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ DÙNG MÔI CHẤT CO2 MÃ SỐ: T2016-60TÐ S K C0 0 5 3 0 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 - 2016
2. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 MỤC LỤC Mục lục 1 Danh mục các hình 2 Danh mục các bảng 3 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 4 Thông tin kết quả nghiên cứu 5 Information on research results 7 Phần 1 Giới thiệu 9 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 9 1.1.1 Ngoài nước 9 1.1.2 Trong nước 12 1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 15 1.2.1 Mục tiêu 15 1.2.2 Cách tiếp cận 15 1.2.3 Phương pháp nghiên cứu 15 1.2.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 16 1.2.5 Nội dung nghiên cứu 16 Phần 2 Cơ sở nghiên cứu và kết quả 17 2.1 Thiết kế và thiết lập thực nghiệm 17 2.2 Các kết quả và thảo luận 28 2.2.1 Các kết quả với dàn bay hơi kênh micro 28 2.3.2 Các kết quả với dàn bay hơi kênh mini 31 Phần 3 Kết luận và kiến nghị 38 Lời cảm ơn 39 Tài liệu tham khảo 39 Phụ lục 43 - 1 -
3. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm Hình 2.2. Đồ thị p-h của hệ thống thí nghiệm hệ thống điều hòa không khí CO2 Hình 2.3. Biến thiên nhiệt độ tại dàn bay hơi Hình 2.4. Kích thước của bộ làm mát (cooler) Hình 2.5. Kích thước của dàn lạnh kênh micro Hình 2.6. Ảnh thực của dàn bay hơi kênh micro Hình 2.7. Kích thước của dàn lạnh kênh mini Hình 2.8. Ảnh thực của dàn bay hơi kênh mini Hình 2.9. Các thông số kích thước của van tiết lưu sau khi đồng dạ Hình 2.10. Hệ thống thí nghiệm với các Block máy nén gas Freon Hình 2.11. Hệ thống thí nghiệm với máy nén Dorin có quá lạnh Hình 2.12. Các điểm thực nghiệm của chu trình dùng máy nén lạnh truyền thống Hình 2.13. Tiết diện tiết lưu với áp suất và công máy nén Hình 2.14. Tiết diện tiết lưu với nhiệt độ quá nhiệt và bay hơi Hình 2.15. Một so sánh trên đồ thị p-h Hình 2.16. Một hình ảnh của dàn bay hơi kênh micro Hình 2.17. Tiết diện tiết lưu với áp suất Hình 2.18. Áp suất bay hơi với nhiệt độ đầu đẩy và đầu hút Hình 2.19. Áp suất bay hơi với nhiệt độ bộ làm mát Hình 2.20. Tiết diện tiết lưu với công máy nén Hình 2.21. Các điểm nút thực nghiệm trên đồ thị p-h Hình 2.22. Một hình ảnh của dàn bay hơi kênh mini Hình 2.23. Một hình ảnh nhiệt của van tiết lưu Hình 2.24. Một so sánh áp suất bay hơi của dàn bay hơi kênh micro và kênh Hình 2.25. Thermostat thể hiện nhiệt độ phòng lạnh - 2 -
4. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1.Các thông số trạng thái của các điểm nút tính toán lý thuyết. Bảng 2.2. Độ chính xác và khoảng đo của các dụng cụ đo lường [27] Bảng 2.3. Các thông số nhiệt động của chu trình dùng máy nén lạnh truyền thống Bảng 2.4 Các thông số nhiệt động của chu trình dùng dàn micro Bảng 2.5 Các thông số nhiệt động của chu trình dùng dàn bay hơi kênh mini - 3 -
5. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 2 Ac diện tích mặt cắt, m Dh đường kính quy ước, m h hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/m2K k hệ số truyền nhiệt tổng, W/m2K L chiều dài kênh micro, m m lưu lượng khối lượng, kg/s p áp suất, Pa P đường kính ướt, m P công suất, W Q lượng nhiệt truyền qua thiết bị, W q mật độ dòng nhiệt, W/m2 R nhiệt trở, m2K/W T nhiệt độ, K Greek symbols  độ nhớt động lực học, Ns/m2 khối lượng riêng, kg/m3  hệ số dẫn nhiệt, W/m K  vận tốc, m/s  hiệu suất T nhiệt độ chênh lệch, K - 4 -
6. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 - Mã số: T2016-60TĐ - Chủ nhiệm: PGS.TS. Đặng Thành Trung - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM - Thời gian thực hiện: 01/01/2016 đến 30/12/2016 2. Mục tiêu: - Xác định các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí CO2. - Đặt nền tảng cho hướng nghiên cứu về lĩnh vực truyền nhiệt Mini/micro tại Bộ môn công nghệ Nhiệt-Điện lạnh, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật nói riêng và các trường đại học khác trên cả nước nói chung. - Cố gắng bắt kịp các nước tiên tiến một trong những hướng nghiên cứu hiện tại và tương lai về lĩnh vực cơ khí nhiệt và lưu chất. 3. Tính mới và sáng tạo: Nghiên cứu này là nghiên cứu đầu tiên trong nước và cũng là một trong những nghiên cứu mới trên thế giới. 4. Kết quả nghiên cứu: Đạt yêu cầu đặt ra Trong nghiên cứu này, tiết diện tiết lưu giảm từ 12,57 đến 0,091 mm2, áp suất dàn làm mát và dàn bay hơi giảm; độ chênh áp suất giữa hai dàn này tăng từ 3 đến 33 bar. Bên cạnh đó, chênh lệch áp suất cũng thể hiện rõ ràng ở tiết diện tiết lưu nhỏ hơn 0,40 mm2. Ở áp suất làm mát 75 bar, độ chênh áp giữa hai dàn này là 33 bar; giá trị này cao hơn các máy nén lạnh truyền thống. Tuy nhiên, tỉ số nén của máy nén CO2 chỉ là 1,78; giá trị này thấp hơn nhiều so với tỉ số nén của các máy nén truyền thống. Công máy nén tăng khi giảm tiết diện tiết lưu và công nén tăng mạnh khi tiết diện tiết lưu nhỏ hơn 0.4 mm2. Biên dạng đường cong áp suất bộ làm mát và - 5 -
7. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 biên dạng đừơng cong công nén cùng một quy luật khi thay đổi tiết diện tiết lưu Nhiệt độ bay hơi giảm từ 18,4 đến 7,3 C và độ quá nhiệt giảm từ 3,4 đến 1,1 C khi tiết diện tiết lưu giảm từ 3,825 đến 0,091 mm2. Với dàn bay hơi kênh micro, năng suất lạnh thu được là 168,45 kJ/kg, công máy nén 23,99 kJ/kg, COP tính được là 7,01. Giá trị COP này cao hơn rất nhiều so với các nghiên cứu trước. 5. Sản phẩm: Ba bộ tản nhiệt minichannel, 01 bài báo khoa học đăng ở tạp chí quốc tế EI (AJER Journal) 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Các kết quả nghiên cứu đã đăng ở tạp chí uy tín SCIE và EI để được trích lục. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) - 6 -
8. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Study on Thermodynamic Parameters of Expansion Process in the CO2 air conditioning cycles. Code number: T2016-60TĐ Coordinator: Assoc. Prof. Dr. Thanhtrung Dang. Implementing institution: Hochiminh city University of Technology and Education Duration: from January 01, 2016 to December 30, 2016 2. Objective(s): Find out thermodynamic parameters of expansion process in the CO2 air conditioning cycles. Build the research on Micro/Nano heat transfer areas at the Department of Heat and Refrigeration Technology, Hochiminh city University of Technology and Education in specially and other universities of Vietnam in generally. Try to follow several developed countries about one of present and future researches regarding themo-fluidics. 3. Creativeness and innovativeness: The study is the first research in Vietnam and is also one of the new researches on the world. 4. Research results: The proposed objectives have been achieved. The cross-sectional area of the expansion valve reduces from 12.57 to 0.091 mm2, the cooler pressure increases and the evaporator pressure decreases; the pressure difference between cooler and evaporator increases from 3 to 33 bar. Besides, the pressure difference clearly indicates as the cross-sectional area is less than 0.40 mm2. At the cooler pressure of 75 bar, the pressure difference between cooler and evaporator is 33 bar; this value is higher than that obtained from the conventional compressor. However, the compression ratio of CO2 compressor is 1.78; this value is lower than that obtained from the conventional compressors. - 7 -
9. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 The power input of compressor increases as decreasing the cross-sectional area and the power input strongly increases as the cross-sectional area is less than 0.4 mm2. The cooler pressure curve and the power input curve are the same rule as varying the cross-sectional area. The evaporating temperature decreases from 18.4 to 7.3 C and the superheat decreases from 3.4 to 1.1 C as the cross-sectional area reduces from 3.825 to 0.091 mm2. In addition, the cooling capacity of the cycle is 168.45 kJ/kg, the compressor power is 23.99 kJ/kg, resulting the COP is 7.01. The COP in this study is higher than those obtained from other literature reviews. 5. Products: One paper published on EI journal (AJER Journal) 6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability: The results publishing on SCIE and EI international journals will be cited by scientists. - 8 -
10. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 PHẦN 1 GIỚI THIỆU 1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1.1 Ngoài nước Tiết kiệm năng lượng giúp cắt giảm một lượng nhiên liệu đáng kể, điều này dẫn đến giảm một lượng chất thải có tác động xấu đến môi trường. Trong những đối tượng cần đề cập trong lĩnh vực này phải kể đến như những hệ thống lạnh, hệ thống nhiệt và mạng nhiệt, hệ thống cơ khí, động cơ đốt trong, động cơ điện, thiết bị điều khiển, Trong đó, một trong những đối tượng có tiềm năng tiết kiệm năng lượng cao phải nói đến đó là các hệ thống lạnh công nghiệp và dân dụng. Với những hệ thống lạnh hiện nay, hầu hết môi chất lạnh sử dụng là CFC, HCFC hay HFC đã tác động đến sự suy giảm tầng ozone của trái đất và biến đổi khí hậu toàn cầu. Trong khi đó, CO2 có GWP (Global Warming Potential) = 1 và ODP (Ozone Depletion Potential) = 0. Cho nên, sử dụng môi chất lạnh CO2 làm môi chất lạnh là một trong những xu hướng mới trong tương lai. Điều hòa không khí dùng môi chất lạnh CO2 thường được gọi tắt là hệ thống điều hòa không khí CO2. Trong chu trình CO2 này có bốn quá trình chính đó là quá trình nén, quá trình làm mát, quá trình giản nở/tiết lưu và quá trình bay hơi; trong đó, quá trình tiết lưu là một trong những quá trình quan trọng ảnh hưởng đến năng suất lạnh của chu trình. Liên quan đến quá trình giản nỡ trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất lạnh CO2, một số nghiên cứu đã đề cập nhưng số lượng còn khiêm tốn. Elbel và Hrnjak [1] đã phát triển hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 và cải tiến hệ thống bằng phương pháp FGB (Flash Gas Bypass), phương pháp này đã giúp chu trình tiến gần về quá trình tiết lưu đẳng enthalpy. Yun cùng cộng sự [2] đã nghiên cứu bằng phương pháp số bộ trao đổi nhiệt kênh micro dùng trong hệ thống điều hòa không khí CO2. Kết quả cho thấy rằng chỉ số hiệu quả của bộ trao đổi nhiệt này được cải thiện khi tăng vùng hai pha và thay đổi khoảng cách giữa các cánh. Cheng cùng cộng sự [3-6] đã nghiên cứu các mô hình truyền nhiệt khi sôi của CO2 trong các ống đặt nằm ngang. Sato cùng cộng sự [7] đã công bố bản quyền sáng chế một hệ thống cấp nước nóng và điều hòa không - 9 -
11. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 khí dùng môi chất lạnh CO2. Dienhart cùng cộng sự [8] đã công bố bản quyền về tối ưu hoạt động của hệ thống điều hòa không khí dùng CO2. Dubé [9] đã công bố bằng sáng chế hệ thống điều hòa không khí CO2 cho bề mặt trượt băng. Tuy nhiên, các nghiên cứu này không chỉ rõ các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu. Lee cùng cộng sự [10] đã nghiên cứu hệ số hoàn thiện của hệ thống điều hòa không khí CO2 dùng thiết bị tiết lưu ejector. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng năng suất lạnh và hệ số COP (Coefficient of Performance) của hệ thống điều hòa không khí CO2 dùng ejector cao hơn hệ thống điều hòa không khí ở tỉ số cuốn theo lớn hơn 0,76. Calabrese cùng công sự [11] đã nghiên cứu chỉ số hoàn thiện của một bơm nhiệt dùng môi chất lạnh CO2. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng chỉ số hoàn thiện COP bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ không khí ở đầu vào của bộ làm mát khí và điều kiện tải làm việc. Liu cùng công sự [12] đã nghiên cứu hệ thống điều hòa không khí CO2 với một ejector giãn nở. Với điều kiện đã đưa ra trong nghiên cứu này, chỉ số COP của hệ thống đạt cực đại khi đường kính của vòi phun ở 2,8 mm. Tuy nhiên, kết quả thu được này chỉ thể hiện bởi phương pháp mô phỏng số. Jin cùng công sự [13] đã nghiên cứu thiết bị bay hơi kênh micro cho hệ thống điều hòa không khí CO2. Trong nghiên cứu này, sai số từ kết quả dự đoán và kết quả thực nghiệm cho năng suất lạnh và tổn thất áp suất phía môi chất lạnh tương ứng là 1.9% và 12.3%. Một sự so sánh giữa hai hệ thống điều hòa không khí CO2 và R134a đã được thực hiện bởi Brown cùng cộng sự [14]. Kết quả chỉ ra rằng COP của hệ thống điều hòa không khí sử dụng CO2 thấp hơn hệ thống điều hòa không khí dùng R134a. Tuy nhiên, kết quả trong [14] thu được chỉ bằng phương pháp phân tích lý thuyết. Sự sử dụng môi chất lạnh tự nhiên là một giải pháp hoàn hảo để thay thế các môi chất lạnh CFC/HCFC [15]. Trong nghiên cứu này, hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất lạnh CO2 đã tiết kiệm 20% năng lượng so với sự sử dụng môi chất lạnh R12 ở tại cùng nhiệt độ bay hơi. Kuang cùng cộng sự [16] đã nghiên cứu một mối liên hệ mới cho quá trình truyền nhiệt của bộ làm mát của chu trình CO2 - 10 -
12. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 trên tới hạn trong các kênh micro. Trong nghiên cứu này, hệ số tỏa nhiệt đối lưu của môi chất lạnh ở bộ làm mát của chu trình CO2 trên tới hạn trong kênh micro đã được dự đoán, với sai số 15% cho hầu hết các kết quả thực nghiệm. Một tổng quan các nghiên cứu hiện tại về quá trình sôi của CO2 trong kênh micro đã được thực hiện bởi Zhao cùng cộng sự [17]. Bên cạnh các đặc tính nhiệt tuyệt vời và điểm mạnh về môi trường, CO2 có đặc tính truyền nhiệt rất tốt so với các môi chất lạnh truyền thống như R134a; hệ số tỏa nhiệt đối lưu của CO2 cao hơn 200% so với môi chất lạnh R134a. Baheta cùng cộng sự [18] đã nghiên cứu chỉ số hoàn thiện của chu trình lạnh CO2 qua tới hạn. Trong nghiên cứu này, áp suất tại bộ làm mát lên tới 100 bar và COP đạt 3.24. Giá trị COP này chỉ bằng COP của các hệ thống điều hòa không khí thương mại hiện nay. Bên cạnh đó, kết quả này chỉ đạt được bởi tính toán lý thuyết và lập trình tính bởi phần mềm EXCEL. Zhao và Bansal [19] đã nghiên cứu thực nghiệm cho quá trình sôi CO2 trong các kênh micro, với độ khô x thay đổi từ 0.05 đến 0.3. Các tác giả đã kết luận rằng hệ số tỏa nhiệt đối 2 lưu của CO2 ở khoảng 30 C nằm trong khoảng 4000 and 7500 W/(m .K) tương ứng với các độ khô khác nhau. Do sức căng bề mặt lớn, hệ số tỏa nhiệt đối lưu khi sôi của CO2 có giá trị thấp ở nhiệt độ thấp nhưng nó tăng khi tăng độ khô. Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ tổng quan cho trường hợp các ống nằm ngang. Với những lợi thế về mặt kỹ thuật [20], CO2 có thể nổi trội bởi hệ số tỏa nhiệt đối lưu ở vùng quá tới hạn và mức áp suất cao với thể tích riêng nhỏ. Chen cùng công sự [21] đã phân tích và tối ưu chu trình kết hợp CO2 trên tới hạn và làm mát ejector. Chu trình làm mát kết hợp này là một sự kết hợp của máy nén lạnh cơ khí CO2 dùng điện (Mechanical Compression Refrigeration Machine-MCRM) và một máy làm mát ejector (Ejector Cooling Machine-ECM) dùng nhiệt thải từ chu trình làm mát CO2. Các môi chất lạnh như R245ca, R601b (Neopentane) và R717 (Ammonia) đã được sử dụng trong nghiên cứu này. Ở đây, sự sử dụng chu trình làm mát ejector cho quá lạnh môi chất lạnh CO2 sau khi ra khỏi bộ làm mát đã làm tăng hiệu suất của chu trình trên tới hạn CO2 lên đến 25-30%, nó phụ thuộc vào loại môi chất lạnh của thiết bị làm mát ejector. - 11 -
13. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 1.1.2 Trong nước Nghiên cứu về điều hòa không khí dùng môi chất lạnh CO2 kết hợp với các bộ trao đổi nhiệt micro/mini là một hướng rất mới ở Việt Nam. Hiện nay, theo các công bố khoa học chính thức, rất ít các nhà khoa học chuyên ngành về công nghệ nhiệt lạnh nghiên cứu về lĩnh vực này. Trong các nghiên cứu liên quan đã thực hiện ở Việt Nam, Trung và Hùng [22] đã thực hiện một nghiên cứu thực nghiệm những ảnh hưởng của lực trọng trường đến các đặc tính nhiệt và dòng chảy lưu chất của những bộ trao đổi nhiệt microchannel. Trong nghiên cứu này, hai bộ tản nhiệt đã được dùng làm thực nghiệm với điều kiện tăng lưu lượng khối lượng ở phía lạnh. Các kết quả này thu được thông qua đề tài nghiên cứu khoa học (NCKH) cấp trường trọng điểm (TĐ) 2011. Trung và Hùng [23] cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng tính chất vật lý của lưu chất trong bộ tản nhiệt kênh micro qua đề tài NCKH cấp Trường TĐ 2012. Trong nghiên cứu này, các đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của lưu chất một pha bên trong bộ tản nhiệt kênh micro đã được xác định. Cho những điều kiện khác nhau đã được nghiên cứu, chỉ số hoàn thiện đạt được 10,7 W/kPa ở giá trị lưu lượng 0,2 g/s. Xa hơn nữa, toàn bộ bộ tản nhiệt kênh micro gồm các kênh, ống góp, tấm đế gia công kênh micro (substrate) cũng như tấm nắp phía trên đã được mô phỏng số bởi sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên nghiệp CFD – ACE+ . Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng bộ trao đổi nhiệt kênh micro đến quá trình ngưng tụ nhằm nâng cao hiệu quả truyền nhiệt cũng đã được thực hiện thông qua đề tài NCKH cấp Trường TĐ 2013 [24]. Nhóm tác giả cũng đang nghiên cứu cải tiến nâng cao giải nhiệt của két nước xe tay ga bằng bộ tản nhiệt kênh mini (minichannel heat sink) dùng công nghệ UV Light qua đề tài NCKH cấp trường TĐ 2014 [25]. Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ tập trung vào nghiên cứu phần đặc tính truyền nhiệt chứ không đề cập đến dòng chảy lưu chất cũng như chỉ số hoàn thiện. Bên cạnh đó, đề tài này chỉ thực hiện bởi phương pháp thực nghiệm chứ không dùng phương pháp mô phỏng số. Một nghiên cứu số và thực nghiệm đã được thực hiện cho bốn bộ tản nhiệt kênh mini với số pass thay đổi từ 3 đến 9 - 12 -
14. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 [26]. Các bộ tản nhiệt này có cùng kích thước và diện tích mặt cắt của các kênh. Các đặc tính truyền nhiệt, tổn thất áp suất và chỉ số hoàn thiện đã được đề cập. Trong nghiên cứu này, bộ tản nhiệt kênh mini 7 pass tốt nhất về truyền nhiệt và tổn thất áp suất hay chỉ số hoàn thiện tương đối chấp nhận. Độ chênh nhiệt độ lớn nhất 12,7 đã đạt được cho bộ tản nhiệt 7 pass ở lưu lượng nước vào 1,64 g/s và vận tốc gió 3 m/s. Ở tại lưu lượng khối lượng nước 1,64 g/s, tổn thất áp suất là 2550 Pa và chỉ số hoàn thiện là 34,1 W/kPa đã đạt đựơc cho bộ tản nhiệt 7 pass. Tuy nhiên, các kết quả trong [22-26] đã không đề cập đến môi chất lạnh CO2. Khương cùng cộng sự [27] đã nghiên cứu thực nghiệm hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất lạnh CO2 với các thiết bị trao đổi nhiệt bằng Đồng. Trong nghiên cứu này, các thiết bị trao đổi nhiệt đã được kiểm tra quá trình biến dạng và phá huỷ bằng phương pháp thuỷ lực. Kết quả cho thấy rằng các máy nén lạnh truyền thống không phù hợp khi sử dụng trong chu trình lạnh có áp cao như CO2. Một mô phỏng số đặc tính truyền nhiệt trong thiết bị bay hơi kênh micro của hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất lạnh CO2 đã được thực hiện bởi Đoàn cùng cộng sự [28]. Trong nghiên cứu này, chu trình làm việc có áp suất bộ làm mát ở 85 bar, áp suất bay hơi 37 bar. Kết quả cho thấy áp suất và nhiệt độ trong quá trình bay hơi không đổi, nó phù hợp với lý thuyết về quá trình bay hơi. Thêm vào đó, độ khô x thay đổi từ 0,50 đến 0,52 tương ứng với điểm vào dàn lạnh đến một khoảng 200 mm. Kết quả này tương đồng với kết quả thực nghiệm ở độ khô 0,53. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu trong [27, 28] đã không đề cập đến quá trình tiết lưu/giản nỡ trong hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất lạnh CO2. Từ những tài liệu liên quan như trên, các nghiên cứu thực nghiệm về quá trình giản nỡ trong hệ thống điều hòa không khí môi chất lạnh CO2 vẫn còn khá khiêm tốn. Đa số các nghiên cứu chỉ tính toán phân tích lý thuyết hoặc chỉ nghiên cứu cho riêng thiết bị bay hơi. Bên cạnh đó, các nghiên cứu đề cập đến áp suất thiết bị làm mát khá cao (thường 80 – 100 bar), dẫn đến năng suất lạnh của chu trình này chưa thể hiện rõ tính nổi trội so với hệ thống điều hòa không khí truyền - 13 -
15. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 thống. Trong hệ thống điều hòa không khí CO2, quá trình giãn nở/tiết lưu là một trong bốn quá trình quan trọng nhất của chu trình lạnh. Do vậy việc nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí CO2 là hết sức cần thiết. Mục đích của nghiên cứu này là thực hiện một nghiên cứu thực nghiệm để xác định các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất lạnh CO2; so sánh và tìm ra các thông số nhiệt động của chu trình để tăng COP; đặt nền tảng cho hướng nghiên cứu về điều hòa không khí dùng môi chất lạnh CO2 tại Bộ môn công nghệ Nhiệt-Điện lạnh, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật nói riêng và các trường đại học khác trên cả nước nói chung. - 14 -
16. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 1.2 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.2.1 Mục tiêu Mục tiêu cụ thể đạt được Thiết lập được một hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất lạnh CO2 chạy ổn định. Xác định mối quan hệ giữa tiết diện tiết lưu đến chênh lệch áp suất cũng như công máy nén lạnh cho dàn lạnh kênh mini và micro. Xác định COP của chu trình điều hòa không khí dùng môi chất lạnh CO2 và so sánh với các nghiên cứu liên quan. Mục tiêu tổng quát Đặt nền tảng cho hướng nghiên cứu về điều hòa không khí dùng môi chất lạnh CO2 tại Bộ môn công nghệ Nhiệt-Điện lạnh, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật nói riêng và các trường đại học khác trên cả nước nói chung. Cố gắng bắt kịp các nước tiên tiến một trong những hướng nghiên cứu hiện tại và tương lai về lĩnh vực cơ khí nhiệt và lưu chất. 1.2.2 Cách tiếp cận Từ các nghiên cứu liên quan, đi đến nghiên cứu một đối tượng cụ thể. Từ các nghiên cứu liên quan đã được công bố trên các tạp chí uy tín trên thế giới đã được xếp hạng như SCI, SCIE hay EI, nhóm tác giả thực hiện một nghiên cứu tổng quan những đối tượng liên quan đến đề tài, từ đó thấy được những vấn đề các nghiên cứu trước đã giải quyết, những vấn đề chưa giải quyết và cần giải quyết. 1.2.3 Phương pháp nghiên cứu Đề tài được thực hiện bởi sự kết hợp giữa lý thuyết nền tảng và thực nghiệm. Từ kết quả nghiên cứu tổng quan, nhóm nghiên cứu đưa ra đối tượng nghiên cứu, thiết kế mô hình. Tiếp theo đó, nhóm nghiên cứu thực hiện thực nghiệm để kiểm chứng kết quả mô phỏng số và đồng thời cũng so sánh kết quả với các công - 15 -
17. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 bố liên quan khác. Các kết quả có giá trị được đăng trên các tạp chí quốc tế uy tín thuộc ISI. 1.2.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất lạnh CO2 dùng dàn lạnh mini và micro. Thiết bị tiết lưu là van tiết lưu tay. Chu trình có quá lạnh sau thiết bị làm mát (cooler). Chu trình chạy ở chế độ trên tới hạn (Transcritical model). Hệ thống thí nghiệm tương đồng với bộ máy lạnh truyền thống 1 HP. Các thông số nhiệt động của chu trình được thu thập đầy đủ và chỉ phân tích về phía môi chất lạnh. 1.2.5 Nội dung nghiên cứu - Tổng quan các nghiên cứu liên quan - Đưa ra động lực nghiên cứu - Đưa ra đối tượng và phương pháp nghiên cứu - Thiết kế mô hình. - Thí nghiệm kiểm chứng trên mô hình thực tế. - So sánh những kết quả này với các bài báo quốc tế SCI, SCIE hay EI liên quan. - 16 -
18. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 PHẦN 2 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 2.1 THIẾT KẾ VÀ THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM Hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất lạnh CO2 được thiết kế dựa trên các kết quả nghiên cứu trước đã công bố [2, 8-10, 18, 29, 30] và các chu trình điều hòa không khí dùng môi chất lạnh truyền thống. Trong hệ thống thí nghiệm này, các thiết bị chính được sử dụng: máy nén lạnh, thiết bị làm mát kênh mini, thiết bị giãn nở, thiết bị bay hơi kênh mini và các cảm biến, như được thể hiện ở Hình 2.1. a) Chu trình không có quá lạnh [27] b) Chu trình có quá lạnh Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm (Trong đó T là nhiệt độ, P là áp suất, LPG là áp kế phía thấp áp, HPG là áp kế phía cao áp, LT là nhiệt kế phía thấp áp và HT là nhiệt kế phía cao áp) - 17 -
19. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 3’ 3 2 k 4 1’ 1 Hình 2.2. Đồ thị p-h của hệ thống thí nghiệm hệ thống điều hòa không khí CO2 (I-Vùng lỏng quá lạnh, II-Vùng bão hòa, III-Vùng hơi quá nhiệt, 12-Quá trình nén, 23’-Quá trình làm mát, 3’3-Quá trình quá lạnh, 34-Quá trình giãn nở, 41-Quá trình bay hơi, 11’-Quá trình quá nhiệt, k-Điểm tới hạn) Hình 2.1 thể hiện sơ đồ thí nghiệm cho trường hợp không có quá lạnh và có quá lạnh sau bộ làm mát. Hơi được hút vào máy nén và nén đến trạng thái hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ cao. Từ đây hơi được qua thiết bị làm mát để làm mát khí CO2. Tiếp theo môi chất lạnh đi một thiết bị giản nỡ/tiết lưu đến nhiệt độ và áp suất bay hơi. Sau đó môi chất lạnh được đi qua thiết bị bay hơi để làm lạnh không gian cần điều hòa rồi quay trở lại máy nén. Hình 2.2 thể hiện đồ thị p-h của hệ thống thí nghiệm hệ thống điều hòa không khí CO2. Để tính toán thiết kế các bộ trao đổi nhiệt compact, những phương trình chính yếu sẽ được đề cập như sau: Lượng nhiệt thải ra tại thiết bị làm mát được tính: - 18 -
20. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 Q mc h h 2 3 2 3' (2.1) Ở đây: mc là lưu lượng khối lượng của môi chất CO2, g/s Công nén lý thuyết được xác định: W 1 2 mc h2 h1 (2.2) Lượng nhiệt thải ra tại thiết bị làm quá lạnh được tính: Q3 3' mc h3' h3 (2.3) Quá trình tiết lưu đẳng entanpy ta có: h3 h4 (2.4) Lượng nhiệt thu được của môi trường làm lạnh tại thiết bị bay hơi được tính: Q4 1 mc h1 h4 (2.5) Hệ số COP của chu trình được xác định: Q4 1 COP (2.6) W 1 2 Phương trình cân bằng nhiệt, Q, được tính bởi Q = mcp(To – Ti) (2.7) Mật độ dòng nhiệt được tính Qc mc p (To -Ti ) q (2.8) A nL cWc Hay T q = k T = lm (2.9) lm R Nhiệt trở tổng R được xác định  R Rcond Rconv (2.4) Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit được xác định - 19 -
21. Nghiên cứu thực nghiệm các thông số nhiệt động của quá trình giản nỡ/tiết lưu trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 TT T max min (2.11) lm T ln max Tmin Trong đó m là lưu lượng khối lượng, n là số kênh mini, cp là nhiệt dung riêng đẳng áp, Ti và To là nhiệt độ đầu vào và đầu ra, q là mật độ dòng nhiệt, A là diện tích truyền nhiệt, k là hệ số truyền nhiệt tổng, Rcond  /  là nhiệt trở do dẫn nhiệt, Rconv 1/ h là nhiệt trở do đối lưu, h là hệ số toả nhiệt đối lưu,  là chiều dày của tấm trao đổi nhiệt,  là hệ số dẫn nhiệt, và Tlm độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit. Chỉ số Reynolds được xác định: wD 2m Re h (2.12)   Wc Dc Tổn thất áp suất do ma sát được xác định bởi: L L 2 (2.13) p 2 f w 2 f Re 2 w Dh Dh Trong đó Dh 4Ac / P là đường kính quy ước, w là vận tốc của nước theo phương z,  là độ nhớt động lực học, là khối lượng riêng, Ac là diện tích mặt cắt, P là chu vi ướt, Lc là chiều dài kênh và f là hệ số ma sát Fanning. Từ phần mềm EES ta xác định được các điểm nút của chu trình như bảng 2.1 sau: Bảng 2.1.Các thông số trạng thái của các điểm nút tính toán lý thuyết. p t h s Điểm (bar) (0C) (kJ/kg) (kJ/kg.K) 1 39 5 -77 -0,91 2 80 60 -50 -0,91 3 80 32 -211 - 4 39 5 -211 - Lưu lượng môi chất qua máy nén theo thiết kế ban đầu của máy nén: m= 70kg/h Công nén đoạn nhiệt để nén m kg môi chất lạnh từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 - 20 -