Luận văn Nghiên cứu tăng COP của hệ thống điều hòa không khí CO2 với dàn bay hơi kênh micro có chu trình quá lạnh bằng thực nghiệm (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu tăng COP của hệ thống điều hòa không khí CO2 với dàn bay hơi kênh micro có chu trình quá lạnh bằng thực nghiệm (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ KIM HẰNG NGHIÊN CỨU TĂNG COP CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ CO2 VỚI DÀN BAY HƠI KÊNH MICRO CÓ CHU TRÌNH QUÁ LẠNH BẰNG THỰC NGHIỆM NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT - 60520115 S K C0 0 5 1 3 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2017
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ KIM HẰNG NGHIÊN CỨU TĂNG COP CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ CO2 VỚI DÀN BAY HƠI KÊNH MICRO CÓ CHU TRÌNH QUÁ LẠNH BẰNG THỰC NGHIỆM NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT MÃ SỐ: 60520115 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2017
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ KIM HẰNG NGHIÊN CỨU TĂNG COP CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ CO2 VỚI DÀN BAY HƠI KÊNH MICRO CÓ CHU TRÌNH QUÁ LẠNH BẰNG THỰC NGHIỆM NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT - 60520115 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐẶNG THÀNH TRUNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2017
4. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung i
5. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Võ Kim Hằng Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 27/10/1980 Nơi sinh: Quảng Nam Quê quán: Bình Quý, Thăng Bình, Quảng Nam Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 4/3 đường 37, khu phố 7, Hiệp Bình Chánh, Quận Thủ Đức, TPHCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0908841977 Fax: E-mail: hangvk@cntp.edu.vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chuyên tu Thời gian đào tạo từ 09/2003 đến 7/2005. Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Nha Trang. Ngành học: Kỹ thuật Nhiệt. Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Tính toán thiết kế hệ thống lạnh cấp đông nhanh IQF. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 7/2005 tại Đại Học Nha Trang TPHCM. Người hướng dẫn: Th.S Trần Đại Tiến 2. Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 10/2015 đến 04/2017 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Kỹ thuật Nhiệt Tên luận văn: Nghiên cứu tăng COP của hệ thống điều hòa không khí CO2 với dàn bay hơi kênh micro có chu trình quá lạnh bằng thực nghiệm. Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 26 – 04 – 2017 tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM. Người hướng dẫn: PGS. TS. Đặng Thành Trung III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2005 đến Trường Đại Học Công Nghiệp Giảng viên nay Thực Phẩm tp.HCM ii
6. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Võ Kim Hằng, học viên cao học ngành Kỹ thuật nhiệt khoá 2015- 2017B. Tôi cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu tăng COP của hệ thống điều hòa không khí CO2 với dàn bay hơi kênh micro có chu trình quá lạnh bằng thực nghiệm” là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 03 năm 2017 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Võ Kim Hằng iii
7. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên em xin được gửi tới thầy PGS.TS Đặng Thành Trung lời cảm ơn chân thành nhất, thầy đã tận tình hướng dẫn, luôn quan tâm, động viên trong suốt quá trình thực hiện đề tài để em có thể hoàn thành tốt bài luận văn “Nghiên cứu tăng COP của hệ thống điều hòa không khí CO2 với dàn bay hơi kênh micro có chu trình quá lạnh bằng thực nghiệm”. Em cũng xin được chân thành cảm ơn đến các thầy cô giảng dạy, đã truyền đạt những kiến thức rất quý báu. Em xin cảm ơn đến 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 cô đã luôn giúp đỡ cũng như tạo điều kiện tốt nhất để chúng em có thể nghiên cứu và hoàn thành đồ án. Dù đã rất cố gắng để thực hiện luận văn nhưng do hạn chế về trình độ, thời gian và nguồn tài liệu tham khảo nên em không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ quý thầy cô, các bạn học viên để luận văn được hoàn thiện hơn. Học viên thực hiện Võ Kim Hằng iv
8. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung TÓM TẮT Đề tài này tập trung nghiên cứu tăng COP (Coefficient of Performance) của hệ thống điều hòa không khí CO2 với dàn bay hơi kênh micro có chu trình quá lạnh bằng thực nghiệm. Trong nghiên cứu này, có hai thiết bị quá lạnh là S1 và S2 được lắp đặt và thử nghiệm. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy COP của chu kỳ làm việc với thiết bị quá lạnh S2 đạt được là 7,2 cao hơn S1. Áp suất bay hơi, áp suất làm mát, nhiệt độ ra khỏi thiết bị quá lạnh và dòng nén tương ứng với COP nêu trên là 44 bar, 75 bar, 26ºC, và 2,4 A. Bên cạnh đó, các thí nghiệm về việc thay đổi tiết diện tiết lưu cũng đã được thực hiện với hệ thống này. Trong nghiên cứu này khi diện tích mặt cắt ngang của van tiết lưu giảm từ 8,195 xuống 0,091 mm2, áp suất làm mát tăng và áp suất bay hơi giảm. Bên cạnh đó, công nén của máy nén tăng lên khi giảm diện tích mặt cắt ngang của van tiết lưu. Ta cũng nhận thấy rằng sự chênh lệch áp suất và dòng điện máy nén tăng lên mạnh mẽ khi diện tích mặt cắt ngang nhỏ hơn 0,4 mm2. Đường cong áp suất làm mát và đường cong công suất nén là cùng quy luật với sự thay đổi diện tích mặt cắt ngang. Hơn nữa, nhiệt độ bay hơi giảm từ 18,4 xuống 7,3 oC và độ quá nhiệt giảm từ 3,4 xuống 1,1 oC, khi diện tích mặt cắt ngang giảm từ 3,825 xuống 0,091 mm2. Ngoài ra, công suất làm lạnh của chu kỳ này là 168,45 kJ/kg, công suất máy nén là 23,99 kJ/kg, kết quả nghiên cứu hệ số COP là 7,01; hệ số COP này cao hơn những kết quả thu được từ các nghiên cứu liên quan đăng trên các tạp chí quốc tế uy tín. Một nghiên cứu so sánh về hệ số COP giữa nghiên cứu này và các nghiên cứu uy tín khác cũng đã được thực hiện, từ việc so sánh này cho thấy rằng nghiên cứu này đã thu được kết quả tốt hơn rất nhiều so với những nghiên cứu trước đây. v
9. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung ABSTRACT This thesis focused on increasing COP (Coefficient of Performance) of CO2 air conditioning system with microchannel evaporator with subcooling cycle by experiment. In this study, there are two different subcoolers namely S1 and S2 were installed and tested. The experimental data show that the COP of the cycle working with the subcooler S2 is better which is at 7,2. The evaporator pressure, the subcooler pressure, the subcooling temperature and the compressor current corresponding to the above-mentioned COP are 44 bar, 75 bar, 26 ºC, and 2,4 A, respectively. Besides, experiments on expansion and superheat processes of a transcritical CO2 air conditioning system were done. In this study, the cross- sectional area of the expansion valve reduces from 8,195 to 0,091 mm2, the cooler pressure increases and the evaporator pressure decreases; the pressure difference between cooler and evaporator increases. Also, the power input of compressor increases as decreasing the cross-sectional area. It is also observed that the pressure difference and power input strongly increase 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. Moreover, 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 this cycle is 168,45 kJ/kg, the compressor power is 23,99 kJ/kg, resulting the COP is 7,01; the COP is higher than those obtained from other literature reviews. A total comparison between the present study and the other literatures was also indicated which confirms that the present study gained results look better. vi
10. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung MỤC LỤC Chương I 1 TỔ NG QUAN 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2 Tổng quan các nghiên cứu liên quan 2 1.2.1 Nghiên cứu ngoài nước . 2 1.2.2 Nghiên cứu trong nước 19 1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 20 1.3.1 Mục tiêu 20 1.3.2 Phương pháp nghiên cứu 20 1.3.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứ u 20 1.3.4 Giới hạn đề tài 20 1.3.5 Nội dung nghiên cứu 21 Chương II 22 CƠ SỞ LÝ THUYẾ T 22 2.1 Giới thiệu chung về CO2 22 2.2 Chu trình điều hoà không khí sử dụng môi chất CO2 24 2.3 Tính toán chu trình lạnh dùng môi chất CO2 26 Chương III 30 THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM 30 3.1 Thiết kế mô hình và hệ thống thí nghiệm 30 3.1.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 30 3.1.2 Máy nén lạnh CO2 31 3.1.3 Thiết bị làm mát. 33 3.1.4 Dàn bay hơi kênh micro. 34 3.1.5 Van tiết lưu 35 3.1.6 Thiết bị quá lạnh 36 3.1.7 Dụng cụ thí nghiệm 37 3.2 Thiết lập thí nghiệm 38 3.2.1 Lắp đặt hệ thống điều hoà không khí CO2 dàn bay hơi kênh micro 38 3.2.2 Trang bị điện cho hệ thống điều hoà không khí CO2 38 vii
11. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung 3.2.3 Sơ đồ mạch điện 39 3.2.4 Vận hành hệ thống 40 3.2.5 Ghi thông số vận hành 41 Chương IV 42 CÁC KẾ T QUẢ VÀ THẢ O LUÂṆ 42 4.1 Các kết quả thực nghiệm 42 4.1.1 Thực nghiệm trên thiết bị quá lạnh S1 42 4.1.2 Thực nghiệm trên thiết bị quá lạnh S2 44 4.1.3 Thực nghiệm trên van tiết lưu 47 4.2 So sánh kết quả thực nghiệm với tính toán lý thuyết 52 Chương V 53 KẾ T LUÂṆ VÀ KIẾN NGHỊ 53 5.1 Kết luận 53 5.2 Kiến nghị 54 LỜI CẢM ƠN 55 TÀ I LIÊỤ THAM KHẢ O 56 viii
12. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT COP : Hệ số hiệu quả năng lượng (Coefficient Of Performance) I : Dòng máy nén, A h : Enthalpy, kJ/kg s : Entropy, kJ/kgK k : Hệ số truyền nhiệt tổng, W/m2K L : Chiều dài kênh micro, mm  : Bề dày thành thiết bị kênh micro, mm m : Lưu lượng khối lượng, g/s p : Áp suất, bar Q : Lượng nhiệt truyền qua thiết bị, W W : Công nén, W T : Nhiệt độ, K t : Nhiệt độ, oC o ta : Nhiệt độ môi trường, C : Khối lượng riêng, kg/m3  : Hệ số dẫn nhiệt, W/mK : Hệ số toả nhiệt đối lưu, W/m2K ω : Vận tốc, m/s η : Hiệu suất, % tlm : Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit, K p : Tổn thất áp suất, bar 2 F : Diện tích trao đổi nhiệt, m Dk : Đường kính quy ước, m CFC : Chlorofluorocarbon HCFC : Hydrochlorofluorocarbon ix
13. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Sơ đồ thực nghiệm về đặc tính truyền nhiệt khi sôi và các tính chất nhiệt vật lý của CO2 3 Hình 1.2. Sơ đồ thực nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro 5 Hình 1.3. Sơ Sơ đồ thực nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro sử dụng môi chất CO2 7 Hình 1.4. Sơ đồ thử nghiệm về truyền nhiệt khi sôi của CO2 10 Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống thực nghiệm và kênh micro hình chữ nhật 15 Hiǹ h 2.1. Cấu tạo CO2 22 Hiǹ h 2.2. Đồ thị trạng thái của CO2 22 Hiǹ h 2.3. Đồ thị p-h của chu trình CO2 24 Hiǹ h 2.4. Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit 25 Hiǹ h 2.5. Đồ thị p-h biểu diễn các trạng thái của chu trình 26 Hiǹ h 2.6. Biến thiên nhiệt độ tại dàn bay hơi 28 Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm sử dụng môi chất lạnh CO2 có quá lạnh 30 Hình 3.2. Máy nén Dorin CD 180H 32 Hình 3.3. Mô tả cấu tạo bên ngoài máy nén Dorin CD 180H 33 Hình 3.4. Thiết bị làm mát 1,5 HP 34 Hình 3.5. Kích thước dàn bay hơi kênh micro 35 Hình 3.6. Kích thước của van tiết lưu 35 Hình 3.7. Kích thước của các thiết bị quá lạnh 36 Hình 3.8. Lắp đặt hệ thống điều hoà không khí CO2 thực nghiệm 38 Hình 3.9. Mạch động lực 39 Hình 3.10. Mạch điều khiển 40 Hình 3.11. Lắp đặt tủ điện điều khiển và đồng hồ đo áp suất 40 Hình 4.1. Đồ thị p-h của chu trình nén CO2 với S1 43 Hình 4.2. Đồ thị p-h của chu trình nén CO2 với S2 45 Hiǹ h 4.3. Đồ thị so sánh giữa nghiên cứu hiện tại với các nghiên cứu khác 47 Hiǹ h 4.4. Ảnh hưởng của tiết diện cửa van tiết lưu đến sự thay đổi áp suất và nguồn cấp 49 Hiǹ h 4.5. Mối quan hệ giữa tiết diện cửa van tiết lưu với hơi quá nhiệt và nhiệt độ bay hơi 50 Hình 4.6. Đồ thị so sánh giữa nghiên cứu hiện tại với nghiên cứu khác 50 Hình 4.7. Nhiệt độ bay hơi được chụp từ camera nhiệt 51 x
14. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Tóm tắt các nghiên cứu về môi chất lạnh tự nhiên 4 Bảng 1.2. Tóm tắt các nghiên cứu về dòng hai pha 8 Bảng 1.3. Tóm tắt các nghiên cứu về truyền nhiệt khi sôi. 12 Bảng 1.4. Tóm tắt các nghiên cứu về ảnh hưởng của hình dáng kích thước oC 16 Bảng 2.1. Các thông số trạng thái của các điểm nút tính toán lý thuyết oC 27 Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật máy nén Dorin CD 180H 32 Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật thiết bị làm mát panasonic 33 Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật dàn bay hơi kênh micro 34 Bảng 3.4. Các thông số hình học của các thiết bị quá lạnh 36 Bảng 3.5. Độ chính xác và phạm vi đo của thiết bị đo 37 Bảng 3.6. Các thông số kỹ thuật của thiết bị điện 38 Bảng 4.1. Thông số thực nghiệm của chu trình với thiết bị quá lạnh S1 42 Bảng 4.2. Thông số trạng thái các điểm nút của chu trình với S1 44 Bảng 4.3. Kết quả tính toán nhiệt với chu trình S1 44 Bảng 4.4. Thông số thực nghiệm của chu trình với S2 45 Bảng 4.5. Thông số trạng thái các điểm nút của chu trình với S2 46 Bảng 4.6. Kết quả tính toán nhiệt với chu trình S2 46 Bảng 4.7. Thông số thực nghiệm trên van tiết lưu 48 Bảng 4.8. Thông số thực nghiệm của chu trình CO2 trên van tiết lưu 51 Bảng 4.9. So sánh kết quả thực nghiệm và tính toán lý thuyết 51 Bảng 4.10. So sánh kết quả thực nghiệm và tính toán lý thuyết 52 xi
15. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung Chương I TỔ NG QUAN 1.1. Tính cấ p thiết củ a đề tài Tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường đi đôi với giảm kích thước thiết bị là vấn đề thời sự của toàn cầu. Đặc biệt, các chất làm lạnh thân thiện với môi trường và trao đổi nhiệt hiệu quả cao được các nhà khoa học trên thế giới đã và đang đẩy mạnh. Với những tiến bộ trong công nghệ vi chế tạo cùng với công nghệ vật liệu mới, những thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro ra đời đã đáp ứng được điều này và được các nhà khoa học nghiên cứu áp dụng vào rất nhiều lĩnh vực. Trong ngành lạnh nói chung hay trong lĩnh vực điều hòa không khí nói riêng, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu công nghệ micro với những môi chất khác nhau như các halocarbon hay các môi chất lạnh tự nhiên. Tuy nhiên sau khi Nghị định thư Montreal về các chất làm suy giảm tầng Ozone, là một hiệp ước quốc tế được thiết kế để bảo vệ tầng ozone, việc đưa các môi chất tự nhiên vào trong kỹ thuật lạnh đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu áp dụng. Những nghiên cứu chỉ ra rằng, môi chất CO2 (R744) đã được xem là chất làm lạnh thay thế hứa hẹn nhất do hiệu quả cao và an toàn môi trường. Tuy nhiên cho tới nay các nghiên cứu về công nghệ thiết kế thiết bị bay hơi sử dụng môi chất CO2 bằng phương pháp thực nghiệm còn rất hạn chế, nắm bắt được tình hình đó đề tài này xin đi vào tìm hiểu quá trình trao đổi nhiệt của môi chất CO2 trong dàn bay hơi kênh micro cho hệ thống điều hòa không khí. Đề tài này đi vào nghiên cứu tăng COP (Coefficient Of Performance) của hệ thống điều hòa không khí CO2 với dàn bay hơi kênh micro có chu trình quá lạnh bằng thực nghiệm. Kết quả này sẽ bổ sung hữu ích cho sự phát triển công nghệ trao đổi nhiệt kênh micro đặc biệt là với môi chất CO2, để nâng cao hiệu suất truyền nhiệt và tối ưu hóa hình dạng, kích thước của thiết bị bay hơi trong tương lai và thân thiện với môi trường. 1
16. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung 1.2. Tổng quan các nghiên cứu liên quan Nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt về tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới, nghiên cứu thực hiện. Cùng với tình hình nghiên cứu của thế giới, các nhà khoa học ở Việt Nam cũng đã có những nghiên cứu đóng góp về lĩnh vực này và có những thành tích nhất định. Để có thêm cơ sở thực hiện đề tài, các bài báo của các nhà khoa học trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài đã được tìm hiểu. 1.2.1. Nghiên cứu ngoài nước 1.2.1.1. Các nghiên cứu về môi chất lạnh tự nhiên Liên quan đến việc sử dụng môi chất lạnh tự nhiên là một giải pháp hoàn hảo để thay thế cho CFC/HCFC được thực hiện bởi Lorentzen [1]. Trong nghiên cứu tác giả đã cho rằng việc sử dụng CO2 với hệ thống điều hòa không khí đã tiết kiệm năng lượng khoảng 20% so với việc sử dụng môi chất R12 ở cùng nhiệt độ. Ngoài ra tác giả còn đưa ra một số lợi thế khi sử dụng môi chất CO2 như áp suất làm việc gần với mức tối ưu về kinh tế; kích thước của thiết bị nhỏ gọn; tỉ lệ nén thấp hơn nhiều so với chất làm lạnh thông thường; hoàn toàn tương thích với chất bôi trơn thông thường và vật liệu chế tạo phổ biến, sẵn có ở khắp mọi nơi; giá cả rất thấp; vận hành và bảo trì đơn giản, công suất làm lạnh lớn. Bên cạnh đó Kuang cùng cộng sự [2] đã có một đánh giá toàn diện các mối tương quan cho truyền nhiệt siêu tới hạn của CO2 trong kênh micro cũng như so sánh những tương quan này với các dữ liệu xác định từ thực nghiệm. Từ đó dự đoán hệ số truyền nhiệt về sự làm lạnh siêu tới hạn của hơi CO2 trong kênh micro. Phạm vi sai số là 15% với hầu hết (91%) các dữ liệu thí nghiệm trong thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro với 11 rãnh kênh micro với đường kính trong 0,79 mm trong khoảng áp suất từ 8 đến 10 Mpa và lưu lượng khối lượng là 300 đến 1200 kg/m2s. Nghiên cứu ưu điểm về đặc tính kỹ thuật của CO2 như hệ số truyền nhiệt cao trong vùng siêu tới hạn đã được thực hiện bởi Kim cùng cộng sự [3], tại áp suất cao kết hợp với khối lượng riêng thấp đã giúp cho kích thước các thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ gọn. 2
17. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung Ngoài ra Zhao và Bansal [4] đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính o truyền nhiệt khi sôi và các tính chất nhiệt vật lý của CO2 tại nhiệt độ thấp (-30 C), trong một ống nằm ngang với đường kính trong 4,57 mm, như được thể hiện ở hình 1.1. Kết quả của nghiên cứu là hệ số truyền nhiệt thấp, nhưng lại làm tăng chất lượng hơi nước. Điều này trái với các nghiên cứu về nhiệt độ sôi trên 0oC. Hình 1.1. Sơ đồ thực nghiệm về đặc tính truyền nhiệt khi sôi và các tính chất nhiệt vật lý của CO2. Bằng phương pháp mô phỏng sử dụng chương trình Excel mở rộng. Baheta cùng cộng sự [5] đã nghiên cứu hiệu suất của chu kỳ lạnh transcritical cho CO2 (R- 744). Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng chu trình phù hợp cho các ứng dụng điều hòa không khí hơn so với chu kỳ làm lạnh, bởi vì hệ số COP tăng rất nhiều khi nhiệt độ thiết bị bay hơi tăng. Từ các nghiên cứu trên ta thấy được những ưu điểm của CO2 là rất đáng kể và đặc biệt là sử dụng tốt trong các ứng dụng điều hòa không khí. Tuy nhiên các nghiên cứu trên chưa đi và nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng và kích thước thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro có cánh, sử dụng môi chất CO2 cho hệ thống điều hòa không khí. Bảng 1.1 thể hiện tóm tắt các nghiên cứu về môi chất lạnh tự nhiên. 3
18. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung Bảng 1.1. Tóm tắt các nghiên cứu về môi chất lạnh tự nhiên Tài liệu Vật liệu/ Lưu Lưu lượng Truyền nhiệt Tổn thất áp tham Hình chất làm chất lỏng suất khảo dạng việc Lorentzen Hệ thống CFC, Không CO2 tiết kiệm năng Áp suất làm [1] bơm nhiệt HCFC, lượng khoảng 20% việc CO2 gần HFC, so với môi chất R12 với mức tối NH3, CO2 ưu về kinh tế Kuang Kênh micro CO2 300 – 1200 Chỉ số Nu từ 20 đến 8 – 10Mpa cùng cộng d = 0,79 kg/m2s 250 sự [2] mm Zhao và Thép không CO2 139,5 – 230,9 Ở dải nhiệt độ thấp Không Bansal [3] gỉ kg/m2s hệ số truyền nhiệt d = 4,57 thấp hơn so với các mm nghiên cứu nhiệt độ trên 0oC Baheta Kênh micro CO2 Không Hệ số COP đạt cao Áp suất làm cùng cộng d = 0,8 mm nhất 3,24 việc 10 MPa sự [4] 1.2.1.2. Các nghiên cứu về truyền nhiệt micro Về lĩnh vực truyền nhiệt, bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn là ứng cử viên trong tương lai. Khái niệm làm mát của tản nhiệt vi kênh lần đầu tiên được giới thiệu bởi Tuckerman và Pease [8]. Kể từ đó, truyền nhiệt và các đặc tính dòng chảy chất lỏng trong kênh micro và tản nhiệt vi kênh đã được nghiên cứu rộng rãi. Bằng phương pháp mô phỏng số và kiểm chứng với thực nghiệm, Dang và Teng [5] đã nghiên cứu so sánh truyền nhiệt và tổn thất áp suất của bộ trao đổi nhiệt kênh micro và kênh mini. Kết quả nghiên cứu cho thấy, nhiệt lượng thu được của kênh micro cao hơn nhiều so với kênh mini. Tuy nhiên tổn thất áp suất của kênh micro cũng cao hơn kênh mini. Bên cạnh đó Huang cùng cộng sự [6] cũng đã nghiên cứu về dòng chất lỏng không tuyến tính và những thay đổi nhiệt độ bề mặt bên trong kênh micro bằng kỷ thuật cảm 4
19. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung biến nhiệt độ phân tử. Kết quả thu được, tại chỉ số Reynolds thấp, nhiệt độ tăng mạnh ở lối vào kênh micro, xảy ra ở 1/8 chiều dài kênh. Ngoài ra Dang cùng cộng sự [7] đã nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro bằng phương pháp mô phỏng 3D sử dụng phần mềm Comsol, kết hợp với thực nghiệm với dòng lưu chất một pha bên trong các kênh micro, như được thể hiện ở hình 1.2. Kết quả thu được là, khi nước từ phía nóng của thiết bị có nhiệt độ đầu vào 70oC, lưu lượng khối lượng 0,2503 g/s và nước từ phía lạnh có nhiệt độ đầu vào 21,5oC, lưu lượng khối lượng 0,2906 g/s thì mật độ dòng nhiệt thu được 17,38 x 104 W/m2 (hoặc 17,38 W/cm2). Hơn nữa, nghiên cứu cũng cho thấy rằng, ảnh hưởng của lực trọng trường trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro là không đáng kể. Nghiên cứu cũng kết luận rằng, có sự đồng nhất giữa kết quả mô phỏng số và kết quả thực nghiệm và sự chênh lệch giữa hai phương pháp nghiên cứu này thấp hơn 9%. Hình 1.2. Sơ đồ thực nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro Bằng phương pháp mô phỏng số Xia và Chan [8] đã nghiên cứu về hiệu quả của việc sử dụng kênh micro để tăng cường truyền nhiệt. Trong nghiên cứu này diện 5
20. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung tích đầu vào của kênh micro được thay đổi để kiểm tra khả năng hấp thụ nhiệt. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi giảm kích thước đầu vào mỗi kênh thì tốc độ truyền nhiệt tăng lên và tổn thất áp suất cũng giảm đi. Asadi cùng cộng sự [9] cũng đã nghiên cứu và đưa ra những kết quả nâng cao hiệu suất nhiệt của kênh micro. Kích thước nhỏ của kênh micro có khả năng tiêu tán nhanh hơi nóng, là một trong những sự lựa chọn tốt nhất để giải nhiệt các thiết bị điện tử. Trong bài báo này, đánh giá toàn diện về các cơ chế truyền nhiệt và tổn thất áp suất trong kênh micro bằng nhiều phương pháp khác nhau dựa vào đặc điểm hình dáng kênh và chế độ dòng chảy bên trong kênh micro. Từ các nghiên cứu trên ta thấy thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro cho hiệu quả truyền nhiệt cao mà tổn thất áp suất qua kênh không đáng kể. Vì vậy thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro nên được lựa chọn cho các hệ thống mà nhiệt lượng cao là cần thiết. Tuy nhiên các nghiên cứu trên chỉ dừng lại ở thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro dòng một pha, nên cần có những nghiên cứu cho dòng hai pha và đặc biệt là với môi chất CO2 vì những ưu điểm của môi chất này như đã tìm hiểu ở trên. 1.2.1.3. Các nghiên cứu về dòng hai pha trong kênh micro Nghiên cứu về dòng hai pha trong kênh micro cũng đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, Dario cùng cộng sự [10] nghiên cứu về ảnh hưởng của việc phân phối dòng chảy hai pha trong các kênh song song với đường kính thủy lực macro và micro. Khi dòng lưu chất phân phối không đồng đều trong các kênh sẽ làm giảm hiệu suất nhiệt và sự lưu động của dòng, trong nhiều trường hợp là do thiết kế của thiết bị gây ra. Bằng phương pháp mô phỏng số, nghiên cứu đã đưa ra các mô hình dòng chảy dạng sương mù mang lại sự phân phối dòng lưu chất vào các kênh ở mức tốt nhất. Ngoài ra, kết luận của đề tài cũng nêu ra rằng, yếu tố hình học, điều kiện vận hành và các thuộc tính chất lỏng đều có ảnh hưởng đến sự phân bố dòng chảy hai pha trong các kênh song song. Bên cạnh đó Yu cùng cộng sự [11] nghiên cứu và đưa ra các kết luận: Dòng chảy hai pha có nhiều thuận lợi hơn về truyền nhiệt và truyền chất so với dòng một pha; chế độ dòng chảy khác nhau với hình dạng bong bóng khác nhau tùy thuộc vào số lượng mao dẫn (Ca) của dòng chảy (Ca: tỷ lệ giữa lượng nhớt và sức căng bề mặt thường được đặc trưng bởi số lượng mao mạch); lượng Ca cao 6
21. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS. Đặng Thành Trung (Ca > 0,03), bong bóng thường được hình thành bởi lực cắt không ổn định, đặc trưng bởi sự kéo dài của dòng khí; khi lượng Ca thấp hơn (Ca < 0,01), các bong bóng thường được bị chèn ép bởi chênh lệch áp suất trong hai pha. Bằng phương pháp mô phỏng, Cheng và Thome [12] đã thực hiện nghiên cứu về nhiệt độ bay hơi của môi chất CO2 trong thiết bị bay hơi kênh micro. Với dòng hai pha, môi chất CO2 có hệ số truyền nhiệt cao hơn nhiều và tổn thất áp suất thấp hơn môi chất R236fa. Tuy nhiên, áp suất làm việc của CO2 là cao hơn nhiều so với R236fa. Dựa trên các phân tích và so sánh, CO2 dường như là một chất làm lạnh đầy hứa hẹn cho ứng dụng nhiệt độ thấp. Pettersen [13] đã nghiên cứu thực nghiệm dòng chảy hai pha trong một kênh micro sử dụng môi chất CO2 với 25 dòng kênh, đường kính trong 0,8 mm và chiều dài 0,5 m, như được thể hiện ở hình 1.3. Việc kiểm tra sự truyền nhiệt được thực hiện với các thay đổi nhiệt độ từ 0 – 25oC, lưu lượng khối lượng từ 190 – 570 kg/m2s và mật độ dòng nhiệt 5 – 20 kW/m2. Kết quả cho thấy sự truyền nhiệt chịu ảnh hưởng lớn bởi độ khô, đặc biệt là lưu lượng khối lượng cao và nhiệt độ cao. Bằng phương pháp thực nghiệm Thome và Ribatski [14] đã đánh giá tổng quan về truyền nhiệt khi sôi của dòng hai pha và tổn thất áp suất của CO2 trên kênh macro và kênh micro. Ở nghiên cứu này, tại nhiệt độ bão hòa, CO2 cho hệ số truyền nhiệt cao hơn môi chất lạnh thông thường khác. Hình 1.3. Sơ đồ thực nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro sử dụng môi chất CO2 7
22. S K L 0 0 2 1 5 4