TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Lý do chọn đề tài
Ngành điện lạnh tại Việt Nam vẫn đang trong giai đoạn phát triển, với nhiều công nghệ mới chủ yếu thuộc về các tập đoàn nước ngoài Hệ thống làm lạnh sử dụng môi chất CO2 đang trở thành xu hướng nhờ khả năng giảm thiểu hiệu ứng nhà kính và tỷ lệ rò rỉ môi chất lạnh CO2 được ưa chuộng vì chỉ số GWP thấp (GWP = 1) và tính an toàn cao Các nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh rằng hệ thống làm lạnh bằng CO2 có thể cạnh tranh và thậm chí vượt trội hơn các hệ thống truyền thống Đặc biệt, nghiên cứu “Mô phỏng số và thực nghiệm quá trình làm mát CO2 bằng nước trong thiết bị ngưng tụ” từ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã mở ra hướng đi mới Nhóm nghiên cứu tiếp tục phát triển đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm quá trình làm mát phụ cho hệ thống điều hòa không khí CO2 bằng nước ngưng” nhằm đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng của môi chất lạnh CO2.
Tình hình nghiên cứu
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Hệ thống điều hòa không khí CO2 đang nổi lên như một xu hướng mới tại Việt Nam Tuy nhiên, lĩnh vực này vẫn chưa được nhiều nhà khoa học trong ngành công nghệ nhiệt lạnh nghiên cứu và công bố rộng rãi.
Trung cùng cộng sự đã nghiên cứu quá trình tiết lưu của hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất lạnh CO2 Hùng và các cộng sự đã thực hiện mô phỏng số đặc tính truyền nhiệt trong thiết bị bay hơi kênh micro của hệ thống này Trong nghiên cứu, chu trình làm việc có áp suất bộ làm mát ở 85 bar và áp suất bay hơi 37 bar Kết quả cho thấy áp suất và nhiệt độ trong quá trình bay hơi không đổi, phù hợp với lý thuyết về quá trình bay hơi Độ khô x thay đổi từ 0,50 đến 0,52 tương ứng với điểm vào dàn lạnh đến khoảng 200 mm, tương đồng với kết quả thực nghiệm ở độ khô 0,53.
Nhóm nghiên cứu của Phong đã tiến hành nghiên cứu về quá trình làm mát CO2 bằng nước trong thiết bị ngưng tụ, bao gồm các bước tính toán, kiểm tra và thiết kế mô hình hóa Họ đã thực hiện mô phỏng dàn ống đồng trao đổi nhiệt giữa nước và môi chất, góp phần nâng cao hiệu quả trong lĩnh vực này.
CO2 Các thông số kết quả mô phỏng như sau: Nhiệt độ môi chất CO2đầu vào của dàn là
Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra ở nhiệt độ 64 độ C với nước có nhiệt độ dao động từ 27 độ C đến 28,5 độ C, cho kết quả đầu ra là 27,8 độ C Thời gian thực hiện mô phỏng khoảng 15 giờ, với áp suất chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra là 0,4 bar.
Sau khi xác nhận kết quả mô phỏng số là hợp lý, Phong và các cộng sự đã tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm Qua nhiều lần thực nghiệm, họ thu được dữ liệu khả quan: nhiệt độ trung bình của CO2 ở đầu vào thiết bị ngưng tụ là 63,3 °C, sau khi nhả nhiệt cho nước (nhiệt độ 26,4 °C) và ngưng tụ, nhiệt độ đầu ra trung bình đạt 27,5 °C, chênh lệch 1,1 °C Áp suất trung bình của CO2 ở đầu vào thiết bị ngưng tụ là 73 bar, trong khi áp suất đầu ra là 72,5 bar, chênh lệch 0,5 bar.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Hệ thống làm lạnh CO2, được phục hồi bởi Lorentzen và cộng sự trong những năm 90, đã được xem là giải pháp kỹ thuật khả thi thay thế cho các chất làm lạnh nhân tạo trong điều hòa không khí và làm lạnh Việc triển khai chu trình CO2 giúp giảm thiểu "sự phát thải hàng năm hàng trăm nghìn tấn hóa chất ngoại lai vào khí quyển, liên quan đến những tác động môi trường không lường trước" Tuy nhiên, sự phát triển của hệ thống lạnh CO2 trong các ứng dụng này đã bị chậm lại do hiệu suất năng lượng của các hệ thống ban đầu, đặc biệt là trong điều kiện vượt ngưỡng, không thể so sánh với các chất làm lạnh nhân tạo Để khắc phục vấn đề này, cộng đồng khoa học đã nỗ lực đáng kể trong suốt nhiều thập kỷ qua.
Groll và Kim [5] đã nghiên cứu về các kế hoạch làm lạnh thay thế nhằm cải thiện hiệu suất của từng thành phần Giai đoạn nghiên cứu ban đầu cho thấy rằng các kế hoạch làm việc của các nhà máy cạnh tranh sẽ khác biệt rõ rệt so với các kế hoạch truyền thống sử dụng chất làm lạnh nhân tạo, do yêu cầu điều khiển tập trung áp suất thải nhiệt khi làm lạnh bằng CO2 trong điều kiện vượt ngưỡng giới hạn.
Thứ hai, Singh và các cộng sự đã phát triển hệ thống lạnh CO2, tiến bộ trong việc phát triển máy mở rộng và hệ thống bơm, cho phép khôi phục năng lượng trong quá trình mở rộng Cuối cùng, các hệ thống lạnh CO2 đã được kết hợp với các hệ thống khác để cung cấp điều hòa không khí và thực hiện khôi phục nhiệt, đáp ứng tất cả nhu cầu nhiệt của ứng dụng một cách hiệu quả.
Nghiên cứu của Nebot-Andrés và các cộng sự đã xác định áp suất trung gian tối ưu và hiệu suất của bộ làm mát khí trong hệ thống làm lạnh CO2 siêu tới hạn với quá trình nén song song Kết quả cho thấy COP tối đa đạt được trong các điều kiện tối ưu của bộ làm mát khí và áp suất trung gian, với sự thay đổi tùy thuộc vào điều kiện thử nghiệm Áp suất tối ưu tăng khi nhiệt độ đầu ra của bộ làm mát khí cao hơn, trong khi không phụ thuộc vào mức độ bay hơi Ngược lại, áp suất trung gian tối ưu phụ thuộc vào cả nhiệt độ đầu ra và nhiệt độ bay hơi, với giá trị cao hơn khi mức bay hơi và nhiệt độ đầu ra tăng.
Bansal [9] đã nghiên cứu các vấn đề cơ bản và ứng dụng của môi chất lạnh CO2 trong hệ thống lạnh ở nhiệt độ thấp, đồng thời thảo luận về độ an toàn của nó Nghiên cứu cũng phân tích nhiệt động lực học, các thách thức và nhu cầu nghiên cứu cơ bản, cùng với việc thiết kế các hệ thống mới nhằm duy trì vị thế hàng đầu trong ngành điện lạnh.
Theo nghiên cứu của Liu và cộng sự [10], các tòa nhà dân cư tại Hoa Kỳ chiếm khoảng 21% tổng tiêu thụ năng lượng, và gần như toàn bộ lượng phát thải khí nhà kính từ khu vực này xuất phát từ việc sử dụng năng lượng trong các tòa nhà Việc áp dụng công nghệ hiệu quả có thể giúp giảm thiểu phát thải khí nhà kính thông qua việc tiết kiệm năng lượng Đặc biệt, tiêu thụ năng lượng cho hệ thống sưởi ấm, làm mát và điều hòa không khí (HVAC) chiếm gần 39% tổng năng lượng sử dụng cuối cùng của các tòa nhà dân cư Trong bối cảnh này, môi chất lạnh CO2 được xem là một trong những lựa chọn tự nhiên thay thế cho các chất làm lạnh CFC và HCFC nhờ vào tính thân thiện với môi trường của nó.
Nghiên cứu về hệ thống lạnh sử dụng môi chất CO2 đã được thực hiện rộng rãi, tuy nhiên, phần lớn chỉ tập trung vào quá trình trao đổi nhiệt giữa không khí và CO2 Đề tài này sẽ đổi mới bằng cách nghiên cứu việc sử dụng nước để làm mát cho môi chất, thông qua mô phỏng kết hợp với thực nghiệm, nhằm đánh giá hiệu quả trao đổi nhiệt giữa nước và môi chất CO2.
Mục tiêu đề tài
Bài viết trình bày các kết quả thực nghiệm về hệ thống lạnh sử dụng môi chất CO2, đồng thời phân tích hiệu quả của hệ thống kết hợp đường ống làm mát phụ bằng nước ngưng Ngoài ra, bài viết còn so sánh các kết quả này với những nghiên cứu liên quan trước đó, nhằm làm nổi bật những ưu điểm và sự khác biệt trong ứng dụng công nghệ lạnh hiện đại.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Các thiết bị chính trong hệ thống lạnh bao gồm bộ tận dụng nước ngưng, bộ làm mát bay hơi, máy lạnh, môi chất lạnh CO2, nước giải nhiệt.
Các thông số nhiệt động nghiên cứu (Công suất lạnh, công suất nhiệt, công máy nén, hệ số lạnh lạnh, nhiệt độ, áp suất, entanpy,…).
Dựa trên các kết quả tổng quan và cơ sở vật chất tại phòng thí nghiệm truyền nhiệt của Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, hệ thống lạnh sử dụng môi chất CO2 kết hợp với đường ống làm mát phụ bằng nước ngưng, mang lại năng suất lạnh tối ưu cho môi chất Q0.
Tại thành phố Hồ Chí Minh, công suất lạnh đạt 1 kW với nhiệt độ nước giải nhiệt trung bình là 28,5°C Nhiệt độ môi trường xung quanh dao động trong khoảng 33±2°C và độ ẩm tương đối là 74±2%.
Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Bài viết này tổng quan các tài liệu nghiên cứu liên quan và áp dụng lý thuyết tính toán hệ thống để thiết kế thiết bị cho hệ thống lạnh sử dụng môi chất CO2 Mô hình hệ thống lạnh được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết, sau đó tiến hành lắp đặt mô hình thực nghiệm tương ứng Qua quá trình vận hành hệ thống, dữ liệu thực nghiệm được thu thập và so sánh nhằm đánh giá khả năng làm mát trong các trường hợp khác nhau của hệ thống lạnh sử dụng CO2.
Phương pháp tổng quan là việc sử dụng các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan để xác định mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
Phương pháp tính toán bao gồm việc sử dụng dữ liệu ban đầu để lý thuyết hóa các chu trình lạnh và thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt Điều này tạo nền tảng cho việc phát triển mô hình mô phỏng số và mô hình thực nghiệm.
Phương pháp thực nghiệm: Sau khi lắp đặt, vận hành hệ thống, tiến hành xử lý số liệu và tính toán.
Phương pháp phân tích dữ liệu: Tính toán và đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống dựa vào các giá trị thực nghiệm thu được.
Phương pháp so sánh: So sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lý thuyết về tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt
Trong thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cách, nhiệt lượng từ chất lỏng nóng được truyền cho chất lỏng lạnh qua vách ngăn Để đạt hiệu quả truyền nhiệt tối ưu, thiết bị cần có diện tích truyền nhiệt F đủ lớn để đáp ứng yêu cầu Tính toán hiệu suất truyền nhiệt của thiết bị này thường được chia thành hai loại bài toán khác nhau.
Để thiết kế một thiết bị trao đổi nhiệt mới, cần căn cứ vào yêu cầu và điều kiện trao đổi nhiệt đã được xác định trong nhiệm vụ sản xuất Quá trình này bao gồm việc xác định dạng thiết bị, cấu trúc và diện tích truyền nhiệt cần thiết để đáp ứng các tiêu chí đã đề ra.
Trong quá trình tính toán kiểm tra thiết bị trao đổi nhiệt, cần xác định nhiệt lượng truyền và nhiệt độ ra của chất lỏng nóng và lạnh dựa trên các thông số đầu vào đã biết như lưu lượng, khối lượng và nhiệt độ Đồng thời, việc đánh giá trở lực lưu động cũng rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động của thiết bị.
Trong tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, nhiệt lượng truyền giữa hai loại chất lỏng có thể dùng ba phương trình sau để thể hiện:
Q : Nhiệt lượng truyền nhiệt, W. k : Hệ số truyền nhiệt của thiết bị, W/m 2 K.
F : Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m 2
∆t : Độ chuyên lệch nhiệt độ trung bình giữa môi chất, K hoặc o C.
G1 và G2 là lương lượng khối lượng của hai loại chất lỏng nóng và lạnh, được đo bằng kg/s cp1 và cp2 là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của hai chất lỏng, tính bằng kJ/kg.K t’1 và t’2 đại diện cho nhiệt độ đầu vào của hai chất lỏng, có thể được ghi bằng K hoặc độ C Cuối cùng, t”1 và t”2 là nhiệt độ đầu ra của hai chất lỏng, cũng được thể hiện bằng K hoặc độ C.
Hiện nay, tính toán thiết bị trao đổi nhiệt thường có hai phương pháp:
- Phương pháp độ chênh nhiệt độ trung bình logarit (phương pháp LMTD - log mean temperature difference method).
- Phương pháp hiệu suất – số đơn vị chuyển nhiệt (phương phápε – NTU - method for heat exchanger analysis).
Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng, tùy vào loại thiết bị mà ta chọn phương pháp phù hợp.
Khái quát về chu trình lạnh sử dụng môi chất CO 2
Chu trình lạnh CO2 dưới tới hạn là hệ thống lạnh sử dụng CO2 làm môi chất hoạt động dưới điểm tới hạn (73,6 bar và 31°C) Nó tương tự như chu trình lạnh 1 cấp truyền thống, nhưng thiết bị ngưng tụ được thay thế bằng thiết bị giải nhiệt bằng nước.
Chu trình 1 cấp nén sử dụng môi chất CO2 bao gồm máy nén, thiết bị ngưng tụ, van tiết lưu tay và thiết bị bay hơi.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Các thống số làm việc yêu cầu của thiết bị
Từ các dữ liệu của đề tài ta tính toán thiết kế hệ thống điều hòa không khí CO2 với các thông số làm việc như sau:
Nhiệt độ bay hơi: t0 = 10 o C P0 =45 bar (Tra theo bảng thông số vật lý của môi chất CO2trên đường bão hòa).[11]
Nhiệt độ quá nhiệt được tính bằng công thức tqn = t0 + (5 ÷ 15 o C) = 10 + 11 = 21 o C Độ quá nhiệt này xuất phát từ diện tích trao đổi nhiệt lớn của thiết bị bay hơi, trong khi độ quá nhiệt từ dàn lạnh về máy nén gần như tương đương với tổn thất áp suất, do đó độ quá nhiệt được xác định là 0 o C.
Nhiệt độ ngưng tụ: tmt= 33 o C ,mt= 74 % ở thành phố Hồ Chí Minh
Tra đồ thị I-d suy ra nhiệt độ nhiệt kế ướt: tư= 24 o C
Theo công thức sách HDTKHTL – Thầy Nguyễn Đức Lợi (trang 205- 210).[12]
Ta có công thức tính nhiệt độ nước tuần hoàn của thiết bị ngưng tụ: tw= tư+ (3 ÷ 4 o C ) = 24 + 3 = 27 o C
Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước có nhiệt độ ngưng tụ của môi chất được tính bằng công thức tk = tw + (3÷5 °C), trong đó nhiệt độ nước vào là 27 °C, dẫn đến nhiệt độ ngưng tụ tk = 30 °C Theo bảng thông số vật lý của CO2 trên đường bão hòa, áp suất ngưng tụ Pk tương ứng với nhiệt độ này là 72 bar.
� = p p k (CO 2 ) o (CO 2 ) = 72 45 = 1,6 < 9Với tỷ số nén trên ta chọn chu trình lạnh 1 cấp nén.
Sơ đồ nguyên lí tính toán của hệ thống
Các quá trình của chu trình một cấp nén CO2được thể hiện như Hình 3.1 và Hình 3.2 bên dưới:
1-2: quá trình nén đoạn nhiệt, đẳng entropy ở máy nén I;
2-3: quá trình ngưng tụ đẳng áp ở thiết bị ngưng tụ II;
3-4: quá trình tiết lưu đẳng enthalpy ở van tiết lưu III;
4-5: quá trình bay hơi đẳng áp ở thiết bị bay hơi IV;
5-1: quá trình quá nhiệt ở thiết bị bay hơi IV;
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý chu trình 1 cấp nén CO2
I-Máy nén; II-Thiết bị ngưng tụ; III-Van tiết lưu; IV-Thiết bị bay hơi.
Hình 3.2 Đồ thị p-h và đồ thị T-s của chu trình 1 cấp nén CO2
Hình 3.3 Đồ thị p-h của chu trình lạnh 1 cấp nén CO2
Bảng 3.1 Thông số trạng thái tại các điểm nút.
Tính toán thông số của chu trình
Năng suất lạnh riêng được tính toán là q0 = h1 – h4 = 445 – 302 = 143 kJ/kg Công máy nén riêng là l = h2 – h1 = 465 – 445 = 20 kJ/kg Công suất nhiệt riêng đạt giá trị qk = h2 – h3 = 465 – 302 = 163 kJ/kg Lưu lượng môi chất tuần hoàn qua hệ thống cần được xác định dựa trên các thông số nhiệt độ và áp suất.
143.10 3 = 0,007 kg/s Công máy nén lạnh:
Hệ số lạnh của chu trình: ε = � 0
Tính chọn thiết bị cho hệ thống
Công suất động cơ máy nén được tính theo công thức 7-19 Sách HDTKHTL.[12]
L: Công nén của máy nén (0,14 kW). k: Hệ số làm việc an toàn k = (1,1 ÷ 2,1) (chọn k = 2). η: Tổn thất năng lượng trong máy nén: η = ηe.ηtđ.ηel.ηi
Hệ số hiệu suất cơ học (ηe) do tổn thất ma sát tại các bề mặt chuyển động được quy định bởi nhà chế tạo, với giá trị chọn là ηe = 0,95 Hệ số hiệu suất truyền động (ηtđ) giữa máy nén và động cơ, do máy nén kín truyền động trực tiếp, được chọn là ηtđ = 1 Hệ số hiệu suất của động cơ điện (ηel) được chọn là ηel = 0,8 Cuối cùng, hệ số hiệu suất chỉ thị (ηi) của quá trình nén được xác định theo công thức 7-21 trong sách HDTKHTL.[12]
+ t : Nhiệt độ sôi môi chất ( o C).
Tổn thất năng suất trong máy nén: η = ηe.ηtđ.ηel.ηi = 0,95.1.0,8.0,93 = 0,7 Vậy công suất động cơ máy nén:
Ta chọn máy nén loại SANDEN công suất 500 W.
Diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ theo công thức 8–1 trang 260-262 Sách HDTKHTL.[12]
F: Diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ (m 2 ). k: Hệ số truyền nhiệt (W/m 2 K).
Q k :Công suất nhiệt của chu trình (W). Δt tb : Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit ( o C).
Hệ số truyền nhiệt - k theo công thức theo công thức trang 346 tài liệu sách Cơ sở Truyền nhiệt và Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt.[13]
Do đường kính ngoài và đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt � � 2
1