Nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi kênh micro trong máy điều hòa không khí cỡ nhỏ dùng môi chất lạnh co2 luận án tiến sĩ ngành kỹ thuật cơ khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN TRỌNG HIẾU NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH TRUYỀN NHIỆT CỦA THIẾT BỊ BAY HƠI KÊNH MICRO TRONG MÁY ĐIỀU HỒ KHƠNG KHÍ CỠ NHỎ DÙNG MƠI CHẤT LẠNH CO2 NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ SKA 0 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN TRỌNG HIẾU NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH TRUYỀN NHIỆT CỦA THIẾT BỊ BAY HƠI KÊNH MICRO TRONG MÁY ĐIỀU HỒ KHƠNG KHÍ CỠ NHỎ DÙNG MƠI CHẤT LẠNH CO2 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN TRỌNG HIẾU NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH TRUYỀN NHIỆT CỦA THIẾT BỊ BAY HƠI KÊNH MICRO TRONG MÁY ĐIỀU HỒ KHƠNG KHÍ CỠ NHỎ DÙNG MƠI CHẤT LẠNH CO2 NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 9520103 Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Đặng Thành Trung Người hướng dẫn khoa học 1: GS.TS Jyh Tong Teng Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Việt Dũng Phản biện 2: PGS.TS Bùi Trung Thành Phản biện 3: PGS.TS Võ Chí Chính Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2023 STUDY ON THE HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS OF MICROCHANNEL EVAPORATORS IN SMALL CONDITIONERS USING CO2 REFRIGERANT NGUYEN TRONG HIEU A dissertation submitted to the Faculty of Mechanical Engineering, Hochiminh City University of Technology and Education In partial satisfaction of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy In Mechanical Engineering Advisor: Assoc Prof Dr Dang Thanh Trung Co-advisor: Prof Dr Jyh Tong Teng March 2023 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu Luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác TP Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng năm 2023 (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Trọng Hiếu i LỜI CẢM ƠN Đề tài “Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt thiết bị bay kênh micro máy điều hồ khơng khí cỡ nhỏ dùng mơi chất lạnh CO 2” thực phịng thí nghiệm Truyền nhiệt (Heat Transfer Lab) thuộc Bộ mơn Cơng nghệ Nhiệt - Điện lạnh, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM Trước tiên, xin cảm ơn Lãnh đạo nhà trường, đơn vị Phòng ban trường tạo nhiều điều kiện cho NCS học tập nghiên cứu Đặc biệt sách hỗ trợ hoạt động nghiên cứu khoa học dành cho NCS để phục vụ đề tài, giới thiệu Tạp chí khoa học, Hội nghị khoa học có uy tín ngồi nước để công bố kết nghiên cứu Xin gửi lời cảm ơn đến Ban chủ nhiệm Chủ nhiệm khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, thầy cố vấn NCS tạo điều kiện học tập môn học bổ sung, gia công mẫu thí nghiệm Đồng thời, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Thầy/Cơ ngồi trường nhận xét đóng góp tích cực để đề tài hồn thiện Xin cảm ơn đến Thầy/Cơ Bộ môn Công nghệ Nhiệt - Điện lạnh, Thầy/Cô Khoa Cơ khí Động lực, trang bị sở vật chất đại, thiết bị đo xác cho phịng thí nghiệm phục vụ nghiên cứu khoa học cho Giảng viên Nghiên cứu viên Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn Thầy hướng dẫn PGS TS Đặng Thành Trung GS.TS Jyh Tong Teng hướng nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu phù hợp mục tiêu đề tài Xin cám ơn PGS.TS Jau-Huai Lu có góp ý hữu ích học bổ ích Phịng thí nghiệm Clean Power and Green Energy-NCHU, Đài Loan, nhóm nghiên cứu khác phịng thí nghiệm, bạn học viên cao học, bạn sinh viên hỗ trợ NCS thực đề tài ii TÓM TẮT Luận án “Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt thiết bị bay kênh micro máy điều hồ khơng khí cỡ nhỏ sử dụng môi chất lạnh CO2” thực Các thiết bị kiểm định để làm việc khoảng áp suất từ 74 – 90 bar Để nâng cao hệ số COP suất lạnh hệ thống CO2 tới hạn bản, phương án làm giảm nhiệt độ trước van tiết lưu áp dụng cách lắp đặt thêm thiết bị làm mát phụ thiết bị hồi nhiệt vào hệ thống Phương pháp khoa học áp dụng để thiết kế hệ thống lạnh CO2 tới hạn Hệ thống tiếp tục thực nghiệm để đảm bảo đạt độ tin cậy cần thiết như: Sai số độ khô cực đại mô thực nghiệm 5,5%; sai số độ khơ cực đại tính tốn lý thuyết thực nghiệm 3,5% Tổn thất áp suất trường hợp mơ số, tính tốn thực nghiệm 1,13; 1,4 1,5 bar Hệ số toả nhiệt đối lưu pha trường hợp tính tốn mơ số nằm dải liệu hệ số toả nhiệt đối lưu thực nghiệm từ 6,5 xuống 1,3 kW/m2K với sai số ±1,5 kW/m2K Thêm thiết bị làm mát phụ làm giảm khoảng 1,4oC làm cho suất lạnh tăng 50% hệ số COP tăng 39% Thêm thiết bị hồi nhiệt suất lạnh tăng 100% hệ số COP tăng 103% Ngồi ra, thơng số vận hành khảo sát để hệ thống lạnh đạt suất lạnh tốt Các kết đạt thay đổi lưu lượng môi chất CO từ 97, – 121,4 kg/h làm cho nhiệt độ bay tăng từ 8,2 – 14,5oC; suất lạnh đạt giá trị tốt 3,12 kW COP 3,15 lưu lượng 111 kg/h Khi thay đổi vận tốc khơng khí qua TBBH từ 0,5 – 5,1 m/s điều kiện lưu lượng CO2 khơng đổi 75,6 kg/h giá trị 5,1 m/s, suất lạnh phía khơng khí có giá trị tương đương suất lạnh phía mơi chất 2,09 kW Đề tài công bố cơng trình Trong có 01 SCIE – Q2 (2022), 01 đăng tạp chí WoS - ESCI, Q3 02 book chapter (Scopus) từ proceedings hội nghị quốc tế iii ABSTRACT The thesis "Study on the heat transfer characteristics of the micro-channel evaporator in a small air conditioning system using CO refrigerant" was done The equipment is safe to work in the pressure range from 74 – 90 bar because they have been tested To improve the COP and cooling capacity of the basis CO transcritical system, the method of reducing the temperature before the expansion valve is applied by installing the subcooler or the internal heat exchanger (IHX) into this system This system continues to be tested to ensure the necessary reliability such as: The maximum quality error between simulation and experiment is 5.5%; The maximum dryness error between theoretical and experimental calculations is 3.5% The pressure drops in theoretical calculation, simulation and experiment are 1.13, 1.4, 1.5 bar, respectively The calculated heat transfer coefficient and the simulation heat transfer coefficient are within the data range of the experimental heat transfer coefficient from 6.5 to 1.3 kW/m2K with error ±1.5 kW/m2K The subcooler reduces 1.4oC, which increases the cooling capacity by 50% and the COP by 39% Adding the IHX to the system increases the cooling capacity by 100% and the COP by 103% In addition, the operating parameters are also considered to achieve the best cooling capacity of the refrigeration system The results were obtained as when changing the CO2 mass flow rate from 97.5 to 121.4 kg/h, the evaporation temperature increased from 8.2 to 14.5oC Cooling capacity reaches the best value of 3.12 kW and COP is 3.15 when mass flow rate is 111 kg/h When the air velocity through the evaporator is changed from 0.5 to 5,1 m/s under the condition of constant CO2 mass flow rate of 75.6kg/h At the value of 5,1m/s, the cooling capacity of the air side is equal to the cooling capacity of the air side quality 2.09 kW There are articles published In which, there is an article in SCIE with Impact Factor 3.5 (2022), an article in WoS - ESCI journal, Q3 There are 02 book chapters (Scopus) from international conference proceedings, iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ix DANH SÁCH HÌNH ẢNH xi DANH SÁCH CÁC BẢNG xv MỞ ĐẦU 1 Lý lựa chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phạm vi giới hạn nghiên cứu Hướng tiếp cận phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc Luận án Chương TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU .5 1.1.1 Tình hình nghiên cứu nước .5 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước 17 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 18 1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 18 1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 18 1.4.1 Đối tượng 18 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 19 1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 19 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20 2.1 LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN NHIỆT KÊNH MINI/MICRO 20 2.1.1 Hệ số truyền nhiệt tổng TBBH 20 v 2.1.2 Hệ số toả nhiệt đối lưu phía khơng khí 22 2.1.3 Hệ số toả nhiệt đối lưu môi chất lạnh CO2 24 2.1.4 Tổn thất áp suất TBBH kênh micro 26 2.2 TÍNH TỐN NHIỆT TRONG HỆ THỐNG LẠNH CO2 TRÊN TỚI HẠN 28 2.2.1 Môi chất CO2 (R744) 28 2.2.2 Hệ thống lạnh CO2 tới hạn 29 2.3 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH TỐN TRONG MƠ PHỎNG SỐ .31 2.3.1 Dòng chảy rối RANS 𝒌 − 𝜺 (Reynolds-Averaged Navier–Stokes) .31 2.3.2 Các phương trình truyền nhiệt 33 2.3.3 Các phương trình chuyển pha .33 2.3.4 Môi chất lớp biên .35 2.3.5 Khi môi chất nhiệt 36 Chương TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH CO2 VỚI THIẾT BỊ BAY HƠI KÊNH MICRO 37 3.1 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH CO2 TRÊN TỚI HẠN .37 3.1.1 Trình tự tính tốn 37 3.1.2 Điều kiện ban đầu cho toán thiết kế 38 3.1.3 Lập bảng giá trị điểm nút chu trình .39 3.1.4 Tính tốn nhiệt 39 3.1.5 Tính tốn thiết bị bay .40 3.1.6 Thiết bị làm mát 43 3.2 TÍNH KIỂM TRA KẾT QUẢ THIẾT KẾ 45 3.2.1 Tính toán, kiểm tra thiết bị bay (TBBH) 45 3.2.2 Kiểm tra thiết bị làm mát (TBLM) 47 3.3 TỔNG HỢP TÍNH TỐN VÀ KIỂM TRA 49 Chương MÔ PHỎNG SỐ VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .50 4.1 THIẾT LẬP MÔ PHỎNG SỐ TRÊN PHẦN MỀM COMSOL 50 4.1.1 Thiết lập môi trường (Model Wizard) 51 4.1.2 Thiết lập mơ hình hình học .52 4.1.3 Thiết lập thuộc tính vật liệu (Specify materials properties) 53 vi