Nghiên Cứu Tích Hợp Ejector Vận Hành Bằng Các Nguồn Nhiệt Có Nhiệt Thế Thấp Vào Máy Lạnh Có Máy Nén Hơi Để Đáp Ứng Các Nhu Cầu Về Điều Hòa Không Khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP EJECTOR VẬN HÀNH BẰNG CÁC NGUỒN NHIỆT CÓ NHIỆT THẾ THẤP VÀO MÁY LẠNH CÓ MÁY NÉN HƠI ĐỂ ĐÁP ỨNG CÁC NHU CẦU VỀ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ Ngành: Kỹ thuật Nhiệt Mã số ngành: 62520115 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2022 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Người hướng dẫn 1: GS TS Lê Chí Hiệp Người hướng dẫn 2: Phản biện độc lập 1: PGS TS Nguyễn Huy Bích Phản biện độc lập 2: PGS TS Trần Thanh Sơn Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Chí Chính Phản biện 2: TS Lê Minh Nhựt Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Thế Bảo Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án họp vào lúc ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM - Thư viện Đại học Quốc gia Tp.HCM - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Tạp chí quốc tế (SCIE, IF = 2.731) T K Nguyen and C H Le, “Thermodynamic analysis of an ejector– vapour compressor cascade refrigeration system,” Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, vol 141, no 6, pp 2189–2200, September 2020, doi: 10.1007/s10973-020-09635-6 Tạp chí nước Nguyễn Trung Kiên, Lê Chí Hiệp, “Phân tích nhiệt động lựa chọn mơi chất thích hợp cho chu trình tích hợp ejector – máy lạnh có máy nén loại suất lạnh nhỏ”, Tạp chí Năng lượng Nhiệt, số 138, tháng 11/2017 Nguyễn Trung Kiên, Lê Chí Hiệp, “Thiết kế ejector làm việc chu trình lạnh kết hợp ejector–máy lạnh có máy nén hơi”, Tạp chí khoa học trường Đại học Kỹ thuật, số 31.2, trang 141 – 146, tháng 4/2021 ISSN 2734 - 9381 Kỷ yếu hội nghị quốc tế K.-T Nguyen, Q.-A Hoang, and H.-C Le, “Exergy Analysis of the Combined Ejector - Vapor Compression Refrigeration System Using R134a as Working Fluid,” in Proceedings 2018 4th International Conference on Green Technology and Sustainable Development, GTSD 2018, 2018, doi: 10,1109/GTSD.2018.8595705 Nguyen Trung Kien, Le Chi Hiep, “Thermodynamic Analysis and Refrigerant Selection for Small Capacity Ejector System”, Proceeding of The 3rd ASEAN smart grid congress & The 5th international conference on sustainable energy, December 2017 Kien Trung Nguyen and Chi Hiep Le, “The Theoretical Analysis and Selection of Suitable Refrigerants Working in The Combined Ejector-Vapour Compression System”, The 7th TSME International Conference on Mechanical Engineering, December 2016 Đề tài nghiên cứu khoa học Nguyễn Trung Kiên, Lê Chí Hiệp, “Mơ tả tốn học viết chương trình tính tốn hệ thống máy lạnh ejector”, Đề tài khoa học cấp trường mã số TNCS-CK-2016-01, nghiệm thu ngày 31/8/2018 (biên nghiệm thu số 68/NT-ĐHBK-KHCN&ĐA) CHƯƠNG 1.1 GIỚI THIỆU Đặt vấn đề Năng lượng cấp cho hệ thống điều hịa khơng khí đóng vai trị quan trọng Tuy nhiên, trước yêu cầu bảo vệ môi trường cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch, nhà khoa học nỗ lực để đổi phương pháp làm lạnh theo hướng tiết kiệm lượng, nâng cao hiệu thiết bị bảo vệ mơi trường Chu trình ejector có nhiều ưu điểm đơn giản, thiết bị gọn nhẹ, sử dụng nhiệt làm nguồn lượng đầu vào, nhiên nhược điểm COP thấp Nghiên cứu nâng cao hiệu làm việc chu trình làm lạnh ejector hướng có khả thi để ứng dụng Việt Nam Theo hiểu biết tác giả, Việt Nam chưa có nghiên cứu chuyên sâu đề tài 1.2 1.2.1 Ejector chu trình điều hịa khơng khí ejector Cấu tạo nguyên lý hoạt động ejector Một ejector điển hình bao gồm ống phun, buồng hút, buồng hòa trộn ống khuếch tán Một hệ thống điều hịa khơng khí ejector tương tự hệ thống điều hịa khơng khí máy lạnh có máy nén hơi, máy nén thay ejector bình phát sinh để cung cấp nhiệt cho ejector vận hành Vì lý đó, ejector cịn gọi máy nén nhiệt 1.2.2 Môi chất lạnh làm việc chu trình ejector Các mơi chất lạnh cần phải thõa mãn yêu cầu môi trường, an tốn, tính chất nhiệt động truyền nhiệt tốt dễ dàng tìm thấy Việt Nam 1.3 Các cơng trình nghiên cứu có liên quan 1.3.1 Nghiên cứu lý thuyết mô ejector 1.3.2 Nghiên cứu môi chất lạnh làm việc hệ thống ejector 1.3.3 Nghiên cứu chế độ hoạt động ejector 1.3.4 Nghiên cứu tối ưu hóa hình học ejector 1.3.5 Nâng cao hiệu làm việc chu trình ejector Tổng quan chu trình tích hợp ejector – máy lạnh có máy nén 1.4 Phương án 1: Máy nén kết nối trực tiếp vào ejector: kết nối khó khăn, ejector hút lẫn dầu lỏng từ máy nén, môi chất lạnh nhiệt làm tăng tải nhiệt bình ngưng Phương án 2: Chu trình ejector chu trình máy lạnh có máy nén ghép nối với thơng qua bình trao đổi nhiệt gọi bình trung gian Phương án khắc phục đước nhược điểm phương án Động lực thực đề tài 1.5 1.5.1 Tính cấp thiết đề tài 1.5.2 Mục tiêu nghiên cứu nhiệm vụ đề tài Mục tiêu luận án là: • Xác định mối liên hệ kích thước hình học ejector điều kiện vận hành hệ thống • Tối ưu hóa dạng hình học ejector hệ thống tích hợp vận hành nguồn nhiệt thấp (như lượng mặt trời hay nhiệt thải từ lò hơi) điều kiện Việt Nam • Tích hợp ejector vào hệ thống máy lạnh có máy nén nhằm đem lại hiệu cao Để đạt mục tiêu đề tài, luận án tập trung giải vấn đề cụ thể sau: • Kết hợp phân tích lý thuyết xây dựng chương trình tính tốn cho hệ thống tích hợp ejector máy lạnh có máy nén phần mềm EES • Xây dựng tiêu chí lựa chọn mơi chất lạnh cho hệ thống tích hợp từ lựa chọn cặp mơi chất phù hợp cho hệ thống • Sử dụng phần mềm tính tốn để đánh giá ảnh hưởng điều kiện vận hành đến hiệu hệ thống • Phân tích exergy thành phần hệ thống từ đánh giá tính bất thuận nghịch ejector chu trình phương hướng cải thiện • Tính tốn thiết kế ejector với điều kiện vận hành cho trước Các phương trình liên hệ thơng số thiết kế điều kiện vận hành thiết lập • Mô số phần mềm ANSYS-FLUENT để tối ưu hóa hình học ejector nhằm phục vụ cho thực nghiệm • Xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ thống máy lạnh ejector vận hành ổn định nước nóng (thay cho nguồn nhiệt thấp lượng mặt trời hay nhiệt thải từ lị cơng nghiệp) đánh giá ảnh hưởng điều kiện vận hành lên hiệu hệ thống • Sử dụng kết thực nghiệm để đánh giá kiểm chứng kết mô số lý thuyết 1.5.3 Đối tượng nghiên cứu 1.5.4 Phạm vi nghiên cứu Mơ hình ứng dụng cho máy lạnh có dải suất lạnh trung bình từ kW – 15 kW Trong khuôn khổ luận án này, NCS chế tạo mơ hình tích hợp ejector – máy lạnh có máy nén với suất lạnh 2,8 kW Trong mơ hình nghiên cứu, để tăng tính chủ động q trình tiến hành thí nghiệm, NCS sử dụng nước nóng để thay cho nguồn nhiệt thấp tận dụng lượng mặt trời nhiệt thải từ trình công nghiệp 1.5.5 Phương pháp nghiên cứu 1.5.6 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Cơ sở lý thuyết chu trình điều hịa khơng khí ghép tầng ejector – máy lạnh có máy nén 2.1 2.1.1 Đồ thị T-s chu trình Hình 2.2 Đồ thị T-s chu trình ghép tầng ejector - máy lạnh có máy nén Hình 2.1 Sơ đồ ghép tầng ejector - máy lạnh có máy nén 2.1.2 Các phương trình 𝑚1 𝑖1 + 𝑚2 𝑖2 = (𝑚1 + 𝑚2 )𝑖3 (2.1) 𝑚1 𝑐2𝑎 + 𝑚2 𝑐2 = (𝑚1 + 𝑚2 )𝑐2𝑏 (2.2) 𝑚1 𝑐2𝑎 = (𝑚1 + 𝑚2 )𝑐2𝑏 (2.3) 𝜂𝑝ℎ = 𝑖1 − 𝑖2𝑎 𝑖1 − 𝑖2𝑎,𝑑𝑒 (2.4) 𝑐2𝑎 = √2(𝑖1 − 𝑖2𝑎 ) (2.5) 𝜂𝑘𝑡 = 𝑖3,𝑑𝑒 − 𝑖3 𝑖2𝑏 − 𝑖3 (2.6) 𝑐2𝑏 = √2(𝑖3 − 𝑖2𝑏 ) (2.7) 𝑚7 (𝑖10 − 𝑖7 ) = 𝑚2 (𝑖2 − 𝑖5 ) (2.9) 𝑄𝑏ℎ = 𝑚7 (𝑖9 − 𝑖8 ) (2.11) 𝑄𝑝𝑠 = 𝑚1 (𝑖1 − 𝑖6 ) (2.12) 𝑊𝑏 = 𝑚1 (𝑖6 − 𝑖4 ) (2.13) 𝑊𝑚𝑛 = 𝑚7 (𝑖10 − 𝑖9 ) (2.14) 𝑖6 = 𝑖4 + (𝑃6 − 𝑃4 )𝜈4 𝜔= 𝑚2 𝑚1 (2.8) (2.10) 𝑄𝑏ℎ 𝑊𝑚𝑛 + 𝑊𝑏 (2.15) 𝑄𝑏ℎ 𝑄𝑝𝑠 + 𝑊𝑚𝑛 + 𝑊𝑏 (2.17) 𝐶𝑂𝑃𝑐 = 𝐶𝑂𝑃ℎ𝑡 = 𝐶𝑂𝑃𝑛 = 𝑇0 ) − 𝑚1 (𝑒1 − 𝑒6 ) 𝑇1 (2.19) (2.21) 𝐼𝑏 = 𝑊𝑝 − 𝑚1 (𝑒4 − 𝑒6 ) (2.23) 𝐼𝑚𝑛 = 𝑊𝑚𝑛 − 𝑚9 (𝑒9 − 𝑒10 ) (2.25) 𝑚3 (𝑒3 − 𝑒4 ) − 𝑄𝑛𝑡 (1 − 𝐼𝑡𝑔 = 𝑚9 (𝑒10 − 𝑒10 ) − 𝑚2 (𝑒2 − 𝑒5 ) 𝐼𝑡𝑙2 = 𝑚9 𝑒7 − 𝑚9 𝑒8 𝜀𝑁𝐿 = (2.27) 𝑇0 𝑄𝑏ℎ ( − 1) − 𝑚9 (𝑒9 − 𝑒8 ) 𝑇𝑏ℎ 2.2.1 (2.29) 𝑇0 ) 𝑇𝑔𝑛 𝐼𝑡𝑙1 = 𝑚3 𝑒4 − 𝑚2 𝑒5 𝐼𝑏ℎ = 2.2 (2.18) 𝐼𝑛𝑡 = 𝐼𝑒𝑗 = 𝑚1 (𝑒1 + 𝑒2 ) − 𝑚3 𝑒3 𝑇 𝑄𝑏ℎ ( − 1) 𝑇𝑏ℎ 𝜀𝑒 = 𝑇 𝑄𝑝𝑠 (1 − 𝑇0 ) + 𝑊𝑝 (2.16) 𝑒 = (𝑖 − 𝑖0 ) − 𝑇0 (𝑠 − 𝑠0 ) 𝐼𝑝𝑠 = 𝑄𝑝𝑠 (1 − 𝑄𝑏ℎ 𝑄𝑝𝑠 𝑄𝑏ℎ 𝑄𝑝𝑠 𝐼𝑡ổ𝑛𝑔 = 𝐼𝑝𝑠 + 𝐼𝑛𝑡 + 𝐼𝑒𝑗 + 𝐼𝑡𝑙1 +𝐼𝑏 + 𝐼𝑡𝑔 + 𝐼𝑡𝑙2 + 𝐼𝑏ℎ + 𝐼𝑚𝑛 (2.20) (2.22) (2.24) (2.26) (2.28) (2.30) Cơ sở lý thuyết ejector Tính tốn thiết kế ống phun 𝑚1 = 𝜌𝑐𝑜 𝑐𝑐𝑜 𝐴𝑐𝑜 𝐺𝑐𝑜 = (2.31) 𝑐𝑐𝑜 √2(𝑖1 − 𝑖𝑐𝑜 ) = 𝑣𝑐𝑜 𝑣𝑐𝑜 (2.32) √2𝜂𝑝ℎ (𝑖1 − 𝑖𝑐𝑜,𝑑𝑒 ) = 𝑣𝑐𝑜 4𝐴𝑐𝑜 4𝑚1 𝑑𝑐𝑜 = √ =√ 𝜋 𝜋𝐺𝑐𝑜 Hình 2.3 Ống phun (2.33) 2.2.2 Tính tốn, thiết kế buồng hòa trộn { 𝑖1𝑟 + 𝜔𝑖2𝑟 = (1 + 𝜔)𝑖ℎ𝑡 𝑐1𝑟 + 𝜔𝑐2𝑟 = (1 + 𝜔)𝑐ℎ𝑡 (2.37) 𝑐ℎ𝑡 = √2(𝑖3 − 𝑖ℎ𝑡 ) (2.38) = √2𝜂𝑘𝑡 (𝑖3 − 𝑖ℎ𝑡,𝑑𝑒 ) Hình 2.4 Ống phun 4𝐴ℎ𝑡 4(𝑚1 + 𝑚2 )𝑣ℎ𝑡 (2.39) 𝑑ℎ𝑡 = √ =√ 𝜋 𝜋𝑐ℎ𝑡 Tỷ lệ diện tích tỷ số diện tích mặt cắt buồng hịa trộn diện tích mặt cắt cổ ống: 𝑇𝐿𝐷𝑇 = 2.2.3 𝐴ℎ𝑡 𝑑ℎ𝑡 =( ) 𝐴𝑐𝑜 𝑑𝑐𝑜 (2.40) Tính tốn, thiết kế ống khuếch tán 𝜌𝑠 𝑐𝑠 − 𝜌ℎ𝑡 𝑐ℎ𝑡 = (𝑃𝑠 + 𝜌𝑠 𝑐𝑠2 ) − (𝑃ℎ𝑡 + 𝜌ℎ𝑡 𝑐ℎ𝑡 )=0 { 𝑐𝑠2 𝑐ℎ𝑡 (𝑖𝑠 + ) − (𝑖ℎ𝑡 + )=0 2 𝑐𝑠2 − 𝑐32 𝑚1 + 𝑚2 𝐴3 = 𝜌3 𝑐3 𝑖3 − 𝑖𝑠 = 𝜂𝑘𝑡 Hình 2.5 Ống khuếch tán 2.3 2.3.1 (2.41) (2.42) (2.43) Cơ sở lý thuyết CFD Các phương trình vi phân ∂𝜌 + div⁡(𝜌c) = ∂𝑡 𝜕(𝜌𝑐𝑥 ) 𝜕𝑝 + 𝑑𝑖𝑣⁡(𝜌𝑐𝑥 𝑐) = − + 𝑑𝑖𝑣⁡(𝜇𝑔𝑟𝑎𝑑⁡ 𝑐𝑥 ) + 𝑆𝑀𝑥 𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕(𝜌𝑐𝑦 ) 𝜕𝑝 + 𝑑𝑖𝑣⁡(𝜌𝑐𝑦 𝑐) = − + 𝑑𝑖𝑣⁡(𝜇𝑔𝑟𝑎𝑑⁡ 𝑐𝑦 ) + 𝑆𝑀𝑦 𝜕𝑡 𝜕𝑦 (2.44) (2.45) (2.46) 𝜕(𝜌𝑐𝑧 ) 𝜕𝑝 + 𝑑𝑖𝑣⁡(𝜌𝑐𝑧 𝑐) = − + 𝑑𝑖𝑣⁡(𝜇𝑔𝑟𝑎𝑑⁡ 𝑐𝑧 ) + 𝑆𝑀𝑧 𝜕𝑡 𝜕𝑧 ∂(𝜌𝑢) + div⁡(𝜌𝑢c) = −𝑝div⁡ c + div⁡(𝑘grad⁡ 𝑇) + Φ + 𝑆𝑢 ∂𝑡 2.3.2 (2.47) (2.48) Hệ thống lưới Hệ thống lưới tạo để đại diện cho rời rạc hóa miền hình học từ tìm lời giải cho tốn Chất lượng lưới đóng vai trị quan trọng cho xác ổn định nghiệm giải phương pháp số 2.3.3 Điều kiện biên Các điều kiện biên thông số quan trọng việc mơ CFD chúng rõ dịng chất lưu biến biên mơ hình số học Có nhiều loại điều kiện biên khác loại phù hợp cho việc mô ejector áp suất đầu vào áp suất đầu 2.3.4 Mơ hình rối 𝒌 − 𝜺 Mơ hình rối 𝑘 − 𝜀 mơ hình có phương trình 𝜕(𝜌𝑘) 𝜇𝑡 + div(𝜌𝑘𝑼) = div⁡ [ grad⁡𝑘] + 2𝜇𝑡 𝑆𝑖𝑗 ⋅ 𝑆𝑖𝑗 − 𝜌𝜀 𝜕𝑡 𝜎𝑘 𝜕(𝜌𝜀) 𝜇𝑡 𝜀 𝜀2 + div(𝜌𝜀𝑼) = div⁡ [ grad⁡ 𝜀] + 𝐶1𝜀 2𝜇𝑡 𝑆𝑖𝑗 𝑆𝑖𝑗 − 𝐶2𝜀 𝜌 𝜕𝑡 𝜎𝜀 𝑘 𝑘 2.3.5 Lớp biên 2.3.6 Kết tính tốn CFD Điều kiện hội tụ ejector sai số giảm đến 10-6 (2.49) (2.50) 3.3.3 Kết tính tốn Các kích thước ejector thiết kế giảm nhiệt độ phát sinh, nhiệt độ trung gian nhiệt độ bay tăng, nhiệt độ ngưng tụ giảm Hình 3.13 Ảnh hưởng nhiệt độ Hình 3.14 Ảnh hưởng nhiệt độ phát sinh đến kích thước thiết kế ngưng tụ đến kích thước thiết kế ejector ejector Hình 3.15 Ảnh hưởng nhiệt độ Hình 3.16 Ảnh hưởng nhiệt độ trung gian đến kích thước thiết kế bay đến kích thước thiết kế ejector ejector 13 Việc tăng suất lạnh làm tăng kích thước thiết kế thành phần ejector, nhiên tỷ lệ diện tích khơng thay đổi (bằng 8,55 điều kiện thí nghiệm) Mối liên hệ kích thước ejector thông số vận hành hệ thống phương trình (3.1) với hệ số cho Hình 3.17 Ảnh hưởng suất bảng 3.3 lạnh đến kích thước thiết kế ejector Phương trình hồi quy tuyến tính đa biến đường kính cổ ống phun, đường kính cửa ống phun đường kính buồng hịa trộn ejector có dạng sau: 𝐷 = 𝑓(𝑇𝑝𝑠 , 𝑇𝑛𝑡 , 𝑇𝑏ℎ , 𝑇𝑡𝑔 , 𝑄𝑏ℎ ) = 𝑎0 + 𝑎1 𝑇𝑝𝑠 + 𝑎2 𝑇𝑛𝑡 + 𝑎3 𝑇𝑏ℎ + 𝑎4 𝑇𝑡𝑔 + 𝑎5 𝑄𝑏ℎ (3.1) Bảng 3.1 Hệ số phương trình (3.1) Kích thước Đường kính cổ ống phun dt Các hệ số a0 = 2,172316×10-3 a1 = - 6,051767×10-5 a2 = 1,437332×10-4 a3 = -7,965921×10-6 a4 = -8,541482×10-5 Đường kính cửa ống phun d1r Đường kính buồng hịa trộn ejector dht R2 84,98% a5 = 5,542732×10-4 a0 = 3,609567×10-3 a1 = -1,045933×10-4 a2 = 2,882167×10-4 a3 = -7,376264×10-5 a4 = -1,886310×10-4 a5 = 1,125799×10-3 a0 = 4,651666×10-3 a1 = -9,910666×10-5 a2 = 2,431008×10-4 a3 = -1,151184×10-4 a4 = -1,328218×10-4 a5 = 1,385460×10-4 14 87,00% 89,71% 3.4 Thiết lập mơ hình mơ số ejector 3.4.1 Hình học ejector Phần lặp lại nghiên cứu Scott [25] nhằm kiểm chứng phương pháp mô Hình 3.18 trình bày mơ hình ejector với kích thước hình học chi tiết thể [25].Mơi chất sử dụng R141b Hình 3.18 Mơ hình ejector ANSYS-FLUENT 3.4.2 Chia lưới 3.4.3 Tính chất vật lý môi chất 3.4.4 Các thiết lập khác 3.4.5 Kết mơ số ejector Hình 3.19 Biểu đồ contour phân bố áp Hình 3.20 Biểu đồ contour phân bố suất đồ thị áp suất tĩnh dọc ejector tốc độ đồ thị số Mach dọc ejector 15 Các kết mơ số thể rõ tính chất dịng chảy Các q trình hịa trộn, tăng, giảm áp thể cách chi tiết phù hợp với kết luận tài liệu khác Kết so sánh cho thấy tỷ lệ lôi tính tốn CFD cho kết sát với thực nghiệm so với kết tính tốn mơ hình 1D 3.5 Tối ưu hóa hình học ejector R134a làm việc chu trình tích hợp Phương pháp tương tự áp dụng với kích thước ejector thay đổi cho phù hợp với mơ hình ejector R134a 3.5.1 Ảnh hưởng tỷ lệ diện tích ejector Khi kích thước phần thân ống q nhỏ, q trình hòa trộn xảy suốt phần thân ống trình shock xảy ống khuếch tán Điều làm cho hiệu ejector giảm xuống rõ rệt Trong trường hợp kích thước phần thân ống lớn q trình hịa trộn xảy ngắn, shock xảy sớm Với điều kiện ban đầu chọn, ejector có tỷ lệ diện tích 8,88 phù hợp cho chu trình tích hợp 3.5.2 Ảnh hưởng chiều dài thân ống Khi chiều dài thân ống nhỏ, trình hịa trộn shock chưa hồn thành phần thân ống tiếp tục xảy phần ống khuếch tán Điều làm cho dịng chảy khơng ổn định sau khỏi ejector Tuy nhiên, thân ống dài, thực tế, ma sát dòng chảy làm giảm hiệu suất ejector Việc lựa chọn chiều dài ống khuếch tán cần đảm bảo vừa đủ cho q trình hịa trộn q trình shock xảy Việc thiết kế thân ống dài không cần thiết Dựa vào kết mô số ejector R134a, chiều dài thân ống nên chọn gấp từ 2,38 đến 5,08 lần đường kính thân ống 16 CHƯƠNG THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM Q trình thí nghiệm trải qua giai đoạn: • Thí nghiệm hiệu hoạt động ejector: ejector chế tạo dựa phân tích lý thuyết trình bày chương • Thí nghiệm khả tích hợp: ejector cho hiệu tốt ejector chọn để tiếp tục thí nghiệm khả tích hợp khả tiết kiệm lượng 4.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm – Bình chứa nước nóng, – Bình phát sinh, – Ejector, – Bình ngưng, – Bình bay hơi, 6– Bơm mơi chất, – Thiết bị đo lưu lượng, – Thiết bị đo nhiệt độ, – Thiết bị đo áp suất Hình 4.1 Sơ đồ thực nghiệm chu trình ejector đơn 17 Bảng 4.1 Thông số điểm nút chu trình hình 4.1 Điểm nút P (bar) 26,35 3,50 9,637 9,64 3,50 26,35 t (C) 80 44,47 38 39,11 i (kJ/kg) 280,6 253,2 277,6 105,3 105,3 106,7 s (kJ/kgK) 0,8892 0,9284 0,9389 0,3855 0,3966 0,3855 4.2 Các thiết bị điều khiển đo đạc 4.3 Xây dựng mơ hình thí nghiệm khả tích hợp v (m3/kg) 0,006438 0,05833 0,02206 0,0008657 0,0146 0,0008597 – Bình chứa nước nóng, – Bình phát sinh, – Ejector, – Bình ngưng, – Bình trung gian, – Bình bay hơi, 7– Bơm môi chất, – Thiết bị đo lưu lượng, – Thiết bị đo nhiệt độ, 10 – Thiết bị đo áp suất Hình 4.2 Sơ đồ thực nghiệm chu trình tích hợp 18 Điểm nút 10 CHƯƠNG Bảng 4.2 Thơng số điểm nút chu trình Hình 4.2 P (bar) i (kJ/kg) s (kJ/kgK) v (m3/kg) T (C) 26,35 80 280,6 0,8892 0,006438 4,72 20 261,5 0,922 0,03597 9,64 42,71 275,6 0,9328 0,02181 9,64 38 105,3 0,3855 0,0008657 5,72 20 105,3 0,3839 0,005832 26,35 39,11 106,7 0,3855 0,0008597 17,86 28 104 0,3883 0,0009554 9,3 104 0,3957 0,005585 9,3 282,8 1,039 0,02784 17,86 41,1 304,4 1,053 0,0156 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ SO SÁNH LÝ THUYẾT 5.1 Giới thiệu 5.2 Vận hành hệ thống 5.3 Thí nghiệm chu trình đơn 5.3.1 Khoảng cách ống phun thân ống tối ưu Mỗi ejector có vị trí khoảng cách ống phun thân ống để tỷ lệ lơi đạt giá trí lớn Có thể quan sát thấy khoảng cách tối ưu cho ejector EJ1, EJ2, EJ3, EJ4 mm, mm, mm, mm Đối với khoảng cách q nhỏ, Hình 5.1 Thí nghiệm ảnh hưởng khoảng cách ống phun – thân ống đến tỷ lệ lơi ejector dịng hịa trộn khơng đủ khoảng cách để q trình hịa trộn xảy hồn tồn buồng hịa trộn dẫn đến tỷ lệ lơi giảm 19 Đối với khoảng cách lớn, thành phần ejector không đủ đảm bảo độ đồng trục để ejector vận hành tốt Hình 5.2 thể hiện, điều kiện vận hành, tỷ lệ lôi EJ3 cao số ejector thí nghiệm EJ3 có tỷ lệ diện tích 8.46, gần so với tỷ lệ diện tích thiết kế lý thuyết 5.3.2 Ảnh hưởng điều kiện vận hành Hình 5.3: Tỷ lệ lôi ban đầu tăng theo áp suất phát sinh đạt giá trị tối ưu gần điểm tới hạn Đối với EJ2 EJ4, áp suất phát sinh tối ưu 25 bar; EJ1 áp suất phát sinh tối ưu 23 bar; EJ3, áp suất phát sinh tối ưu 27 bar Hình 5.2 Ảnh hưởng áp suất phát Hình 5.3 Ảnh hưởng áp suất phát sinh đến tỷ lệ lơi sinh đến suất lạnh Hình 5.4 Ảnh hưởng Pps đến COP Hình 5.5 Ảnh hưởng Pps đến phát hệ thống máy lạnh ejector sinh đến m1 20 Hình 5.6 Ảnh hưởng áp suất phát Hình 5.7 Ảnh hưởng áp suất bay sinh đến lưu lượng khối lượng dòng bị đến tỷ lệ lơi hệ thống lơi Hình 5.9: Khi áp suất ngưng tụ tăng nhỏ áp suất ngưng tụ tới hạn, tỷ lệ lôi ejector không đổi Khi áp suất ngưng tụ lớn áp suất ngưng tụ tới hạn, tỷ lệ lơi giảm nhanh Hình 5.8 Ảnh hưởng áp suất ngưng tụ đến tỷ lệ lôi hệ thống Hình 5.3 – 5.5: Xu hướng biến đổi xuất lạnh COP tương tự xu hướng biến đổi tỷ lệ lơi Hình 5.6 – 5.7: Khi áp suất phát sinh tăng, lưu lượng khối lượng dịng lưu động tăng tuyến tính, đó, lưu lượng khối lượng dịng bị lơi tăng nhanh sau mức độ tăng giảm dần Hình 5.8: Khi áp suất bay tăng, tỷ lệ lôi tăng tuyến tính 21 5.4 5.4.1 So sánh lý thuyết thực nghiệm So sánh kết thực nghiệm kết mô số 3D phần mềm ANSYS-FLUENT Sai số tỷ lệ lôi ejector điều kiện thí nghiệm thay đổi khoảng từ ±2,5% đến ±11,5% Các kết thực nghiệm vẽ thêm sai số Nhìn chung, hầu hết trường hợp, tỷ lệ lơi dự Hình 5.9 So sánh tỷ lệ lơi mơ đốn mơ số cho kết thực nghiệm cao so với kết thực nghiệm 5.5 5.5.1 Thí nghiệm chu trình tích hợp Thí nghiệm khả vận hành Hình 5.10 Ảnh hưởng áp suất Hình 5.11 Ảnh hưởng áp suất ngưng tụ đến tỷ lệ lôi ejector ngưng tụ đến COPn chu trình tích chu trình tích hợp tương ứng với hợp tương ứng với mức áp suất mức áp suất phát sinh khác phát sinh khác Đối với chu trình tích hợp: áp suất phát sinh cho tỷ lệ lơi cao áp suất ngưng tụ tới hạn nhỏ Nhiệt độ bay có ảnh hưởng lớn đến tỷ lệ lôi ejector chu trình tích hợp Áp suất bay cao tỷ lệ lôi tăng nhanh áp suất ngưng tụ tới hạn lớn 22 5.5.2 Đánh giá khả ứng dụng Chu trình tích hợp thiết kiệm 21,7% - 30,7% điện tiêu thụ so với chu trình máy lạnh có máy nén thơng thường CHƯƠNG 6.1 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Về lý thuyết: • Tỷ lệ lơi thơng số quan trọng chu trình tích hợp ejector – máy lạnh có máy nén Tỷ lệ lơi phụ thuộc vào điều kiện vận hành • Đối với thành phần hệ thống, tổn thất exergy ejector lớn Từ cho thấy việc thiết kế tối ưu hình học ejector quan trọng • Việc tích hợp chu trình ejector chu trình máy lạnh có máy nén vừa giúp nâng cao COP vừa tiết kiệm điện • Kết mơ số thể rõ ràng tính chất dịng chảy trình xảy bên ejector Về thực nghiệm: • Khoảng cách ống phun - thân ống ảnh hưởng đến tỷ lệ lôi ejector • Trong ejector thí nghiệm, EJ3 cho hiệu (tỷ lệ lơi cuốn) tốt • Tỷ lệ lôi ban đầu tăng theo áp suất phát sinh đạt giá trị tối ưu gần điểm tới hạn • Tỷ lệ lơi ejector giảm nhanh áp suất ngưng lớn áp suất ngưng tụ tới hạn • Đối với chu trình tích hợp: áp suất phát sinh cho tỷ lệ lôi cao áp suất ngưng tụ tới hạn nhỏ; áp suất bay cao tỷ lệ lơi tăng nhanh áp suất ngưng tụ tới hạn lớn 23 • Chu trình tích hợp thiết kiệm 21,7% - 30,7% điện tiêu thụ so với chu trình máy lạnh có máy nén thơng thường 6.2 Những đóng góp luận án Xây dựng hồn chỉnh chương trình tính tốn lý thuyết chu trình máy lạnh ghép tầng ejector – máy lạnh có máy nén Phân tích lượng exergy hệ thống tích hợp ejector – máy lạnh có máy nén với cặp mơi chất lạnh R134a-R410A Xây dựng phương trình tính tốn thiết kế kích thước ejector R134a theo điều kiện vận hành hệ thống tích hợp theo sơ đồ đề xuất chương Xây dựng mô hình mơ số ejector R134a làm việc chu trình tích hợp phần mềm ANSYS-FLUENT Xây dựng hồn chỉnh hệ thống thí nghiệm để kiểm chứng lý thuyết đánh giá khả tích hợp ejector vào máy lạnh có máy nén 6.3 Đề xuất hướng nghiên cứu Nghiên cứu tối ưu hóa hình học ejector với mơi chất hệ Nghiên cứu nhiệt môi chất lạnh trước đưa vào ejector Nghiên cứu khả tích hợp ejector vào máy lạnh hấp thụ Nghiên cứu khả kết hợp với lượng mặt trời thu hồi nhiệt thải 24 CHƯƠNG MỤC LỤC GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Ejector chu trình điều hịa khơng khí ejector 1.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động ejector 1.2.2 Môi chất lạnh làm việc chu trình ejector 1.3 Các cơng trình nghiên cứu có liên quan .1 1.3.1 Nghiên cứu lý thuyết mô ejector 1.3.2 Nghiên cứu môi chất lạnh làm việc hệ thống ejector 1.3.3 Nghiên cứu chế độ hoạt động ejector 1.3.4 Nghiên cứu tối ưu hóa hình học ejector .1 1.3.5 Nâng cao hiệu làm việc chu trình ejector .2 1.4 Tổng quan chu trình tích hợp ejector – máy lạnh có máy nén 1.5 Động lực thực đề tài .2 1.5.1 Tính cấp thiết đề tài .2 1.5.2 Mục tiêu nghiên cứu nhiệm vụ đề tài .2 1.5.3 Đối tượng nghiên cứu 1.5.4 Phạm vi nghiên cứu .3 1.5.5 Phương pháp nghiên cứu .3 1.5.6 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài .3 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết chu trình điều hịa khơng khí ghép tầng ejector – máy lạnh có máy nén 2.1.1 Đồ thị T-s chu trình .4 2.1.2 Các phương trình 2.2 Cơ sở lý thuyết ejector 2.2.1 Tính toán thiết kế ống phun 25 2.2.2 Tính tốn, thiết kế buồng hịa trộn .6 2.2.3 Tính toán, thiết kế ống khuếch tán .6 2.3 Cơ sở lý thuyết CFD .6 2.3.1 Các phương trình vi phân 2.3.2 Hệ thống lưới .7 2.3.3 Điều kiện biên 2.3.4 Mơ hình rối 𝒌 − 𝜺 2.3.5 Lớp biên .7 2.3.6 Kết tính tốn CFD CHƯƠNG 3.1 TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG SỐ EJECTOR Phân tích chu trình tích hợp ejector – máy lạnh có máy nén 3.1.1 Phương pháp 3.1.2 Phân tích lượng 3.1.3 Phân tích exergy .10 3.1.4 So sánh COP chu trình tích hợp với COP chu trình đơn tương ứng 11 3.2 Môi chất lạnh làm việc chu trình tích hợp 12 3.3 Tính tốn thiết kế ejector R134a làm việc chu trình tích hợp 12 3.3.1 Các giả thiết .12 3.3.2 Phương pháp 12 3.3.3 Kết tính tốn 13 3.4 Thiết lập mơ hình mơ số ejector .15 3.4.1 Hình học ejector 15 3.4.2 Chia lưới 15 3.4.3 Tính chất vật lý mơi chất .15 3.4.4 Các thiết lập khác .15 3.4.5 Kết mô số ejector .15 26 3.5 Tối ưu hóa hình học ejector R134a làm việc chu trình tích hợp 16 3.5.1 Ảnh hưởng tỷ lệ diện tích ejector 16 3.5.2 Ảnh hưởng chiều dài thân ống 16 CHƯƠNG THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM 17 4.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm 17 4.2 Các thiết bị điều khiển đo đạc .18 4.3 Xây dựng mơ hình thí nghiệm khả tích hợp 18 CHƯƠNG KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ SO SÁNH LÝ THUYẾT .19 5.1 Giới thiệu 19 5.2 Vận hành hệ thống .19 5.3 Thí nghiệm chu trình đơn 19 5.3.1 Khoảng cách ống phun thân ống tối ưu 19 5.3.2 Ảnh hưởng điều kiện vận hành .20 5.4 So sánh lý thuyết thực nghiệm 22 5.4.1 So sánh kết thực nghiệm kết mô số 3D phần mềm ANSYS-FLUENT 22 5.5 Thí nghiệm chu trình tích hợp 22 5.5.1 Thí nghiệm khả vận hành 22 5.5.2 Đánh giá khả ứng dụng .23 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .23 6.1 Kết luận 23 6.2 Những đóng góp luận án 24 6.3 Đề xuất hướng nghiên cứu 24 27 ... điều hòa khơng khí ejector tương tự hệ thống điều hịa khơng khí máy lạnh có máy nén hơi, máy nén thay ejector bình phát sinh để cung cấp nhiệt cho ejector vận hành Vì lý đó, ejector cịn gọi máy. .. hướng nghiên cứu Nghiên cứu tối ưu hóa hình học ejector với mơi chất hệ Nghiên cứu nhiệt môi chất lạnh trước đưa vào ejector Nghiên cứu khả tích hợp ejector vào máy lạnh hấp thụ Nghiên cứu khả... ejector – máy lạnh có máy nén 2.1 2.1.1 Đồ thị T-s chu trình Hình 2.2 Đồ thị T-s chu trình ghép tầng ejector - máy lạnh có máy nén Hình 2.1 Sơ đồ ghép tầng ejector - máy lạnh có máy nén 2.1.2 Các phương