Nghiên cứu mô phỏng quá trình truyền nhiệt của thiết bị trao Đổi trong hệ thống lạnh ghép tầng dùng cặp môi chất r134a r744

NGUYỄN HOÀNG TUẤN SVTH: PHAN THÚC ĐỊNH TIÊU TRUNG KIÊN PHÒNG NGUYỄN ANH KHA NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT CỦA THIẾT BỊ TRAO ĐỔI TRONG HỆ THỐNG LẠNH GHÉP TẦNG DÙNG CẶP MÔ

Những công trình nghiên cứu trong và ngoài nước

Những công trình nghiên cứu trong nước

Việc nghiên cứu về hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 còn khá là mới Những nghiên cứu này còn rất hạn chế Trong nước chỉ có một vài nghiên cứu đáng chú ý nổi bậc để quan tâm, về hệ thống lạnh sử dụn CO2 Trong một vài năm gần đây, đại đa số các nghiên cứu về đề tài này là ở các nhóm nghiên cứu của Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh do PGS.TS Đặng Thành Trung cùng với các đồng nghiệp cộng sự của ông cùng thực hiện

Thanhtrung Dang và các cộng sự [1] đã thực hiện việc nghiên cứu về đặc tính dòng chảy và truyền nhiệt của chất lỏng trong bộ trao đổi nhiệt kiểu kênh hình chữ nhật Ngoài ra, tác động của trọng lực làm ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt và giảm áp suất trong bộ trao đổi nhiệt kiểu kênh được biểu diễn thông qua việc điều chỉnh góc nghiêng vật lý của hệ thống trao đổi nhiệt kiểu kênh được áp dụng trong các thí nghiệm Trong quá trình thực hiện thí nghiệm đã đạt được kết quả là 17,4 W/cm 2 đối với thiết bị trao đổi nhiệt Đồng thời, cũng đã xác định được hiệu quả thực tế và hiệu quả thông qua phương pháp tính toán hiệu quả-NTU Trong bài báo này, chúng em nhận thấy nhận thấy rằng áp suất giảm sẽ dẫn đến sự tăng của nhiệt độ của nước Khi áp suất giảm từ

880 lên 4400 Pa, lưu lượng cũng tăng từ 0,1812 lên 0,8540 g/s và kết quả từ các phân tích số cũng khớp với kết quả từ các thực nghiệm với sự sai lệch trong hệ số truyền nhiệt chỉ khoảng dưới 9%

Thanhtrung Dang và các cộng sự [2] đã nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ trong hệ thống lạnh R744 được đánh giá bằng phương pháp số và phương pháp thực nghiệm Hai cấu hình của thiết bị ngưng tụ bay hơi đã được nghiên cứu: Trường hợp 1 có năm lớp ống và Trường hợp 2 có tám lớp ống Để đánh giá các tính

3 chất truyền nhiệt, trường nhiệt độ, sự thay đổi pha, phân bố áp suất và các thông số nhiệt động Đối với Trường hợp 2, chỉ ra khả năng ngưng tụ của R744 từ trạng thái quá nhiệt sang trạng thái lỏng bão hòa bằng cách phân tích nhiệt độ đầu ra của thiết bị ngưng tụ thay đổi từ 28,7°C đến 30,3°C với sự thay đổi áp suất ngưng tụ từ 72,6 bar đến 68,5 bar Trong nghiên cứu này, lưu lượng khối lượng R744 tăng từ 14,34 kg/h lên 46,08 kg/h, đồng thời tổn thất áp suất cũng tăng lần lượt từ 0,23 bar lên 0,47 bar đối với mô phỏng và 0,4 bar lên 0,5 bar đối với thực nghiệm Kết quả chỉ ra rằng năm lớp dàn gây ra độ sụt áp cao hơn và COP thấp hơn so với cấu hình thu được từ tám lớp dàn (chia thành hai bộ để giảm áp suất nhỏ hơn) Hơn nữa, dàn ngưng bay hơi sử dụng ống nhỏ ngâm trong bể nước làm mát thích hợp cho hệ thống điều hòa không khí cận tới hạn R744 Ngoài ra, kết quả thu được từ dữ liệu thực

Thanhtrung Dang và các cộng sự [3] đã nghiên cứu Ảnh hưởng của tỷ số áp suất đến hiện tượng truyền nhiệt của thiết bị bay hơi trong hệ thống điều hòa không khí CO2 bằng phương pháp thực nghiệm Hai trường hợp được thực nghiệm: trường hợp 1 sử dụng một máy nén và trường hợp 2 sử dụng hai máy nén song song Trong nghiên cứu này, lưu lượng khối lượng tăng gấp đôi trong trường hợp hai máy nén song song Lưu lượng khối lượng cho trường hợp 2 giảm từ 71 xuống 61 kg/h khi tỷ số áp suất tăng 1,7 lên 2,2 Khi tỷ lệ áp suất tăng, chênh lệch nhiệt độ không khí tăng từ 5,2 đến 9,1°C đối với trường hợp 1 Đối với trường hợp 2, chênh lệch nhiệt độ không khí tăng từ 5,0 đến 8,8°C Đối với trường hợp 1, nhiệt độ không khí đầu ra giảm từ 24,8 xuống 20°C khi tăng tỷ số áp suất từ 1,7 lên 2,2; nhiệt độ không khí đầu ra giảm từ 20,0 xuống 16,2°C đối với trường hợp 2 Dữ liệu từ trường hợp 2 là nhiệt độ quá nhiệt của TBBH (từ 6,2 đến 7,7°C) thấp hơn nhiệt độ thu được từ trường hợp 1 (từ 9,9 đến 13 o C)

Thanhtrung Dang cùng các cộng sự [4] đã nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt trong bộ làm mát khí của hệ thống điều hòa không khí sử dụng CO2 thông qua phương pháp số Trong nghiên cứu này, thử nghiệm mô phỏng có chiều dài 100 mm và đường kính 6,4 mm Các điều kiện của cuộc nghiên cứu được tái tạo bằng số liệu thực nghiệm của hệ thống CO2 cho điều hòa không khí có nhiệt độ mát hơn ở đầu vào là 44,4 o C và nhiệt

4 độ môi trường xung quanh được làm mát bằng không khí có nhiệt độ là 31.2 o C Kết quả cho thấy nhiệt độ thoát ra của CO2 trong ống giảm ở vị trí 100 mm Ngoài ra, cấu hình nhiệt độ, trường vận tốc, mức giảm áp suất và tốc độ truyền nhiệt đều được xác định Ngoài ra, kết quả bằng số của mô phỏng khá phù hợp với kết quả thực tế Những phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong việc tính toán và thiết kế các thiết bị truyền nhiệt sử dụng CO2

Hình 1.1 Trường nhiệt độ từ thông số mô phỏng

Những công trình nghiên cứu ngoài nước

Bellos cùng các cộng sự [5] đã so sánh các hệ thống làm lạnh ghép tầng khác nhau có sử dụng CO2 trong chu trình nhiệt độ thấp Tổng cộng có trường hợp 18 cấu hình khác nhau được kiểm tra bao gồm cả hệ thống tầng CO2/CO2 Phân tích được thực hiện ở bốn nhiệt độ bay hơi khác nhau (−35°C, −25°C, −15°C và −5°C), trong khi nhiệt độ thiết bị ngưng tụ nằm trong khoảng từ 10°C đến 45°C Các hệ thống được so sánh về mặt năng lượng cũng như sử dụng tổng tác động làm nóng lên tương đương (TEWI) khi vận hành hàng năm ở điều kiện thời tiết ở Athens (Hy Lạp) Kết quả cuối cùng cho thấy tất cả các hệ thống ghép tầng ta được kiểm tra đều hiệu quả hơn hệ thống hai cấp

CO2/CO2 Các chất làm lạnh tự nhiên (NH3, R290, R600, R600a và R1270) dường như là sự lựa chọn phù hợp nhất theo tiêu chí năng lượng và TEWI Hơn nữa, chất làm lạnh R152a là một lựa chọn đầy hứa hẹn để đạt được hiệu suất cao với TEWI tương đối thấp

Feng Cao cùng các cộng sự [6] đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nước trung gian đến hiệu suất của bơm nhiệt kết hợp R134a và CO2 xuyên tới hạn về mặt lý thuyết và thực nghiệm Mô hình toán học lần đầu tiên được xác nhận bằng cách sử dụng dữ liệu thực nghiệm và sau đó được áp dụng để phân tích hiệu suất của hệ thống kết hợp Kết quả cho thấy tồn tại một nhiệt độ nước trung gian tối ưu (nhiệt độ nước đầu vào tại bộ làm mát khí) mà tại đó hệ thống kết hợp có COP cao nhất Nhiệt độ nước trung gian tối ưu này thay đổi theo nhiệt độ không khí xung quanh Hơn nữa, ảnh hưởng của nhiệt độ nước trung gian lên từng hệ thống con R134a và CO2 xuyên tới hạn đã được nghiên cứu Kết quả cho thấy cả công suất sưởi và mức tiêu thụ điện năng trong hệ thống con R134a đều tăng khi nhiệt độ nước trung gian tăng Tuy nhiên, mức tiêu thụ điện trong hệ thống CO2 giảm nhẹ và công suất sưởi ấm đạt giá trị tối ưu khi nhiệt độ nước trung gian tăng từ 15°C đến 32°C trong nhiệt độ không khí xung quanh dao động từ −20°C đến 7°C

Yang cùng các cộng sự [7] đã nghiên cứu hệ thống R134a kết hợp mới và CO2 xuyên tới hạn về mặt lý thuyết và thực nghiệm để sưởi ấm không gian Kết quả thử nghiệm cho thấy nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt độ sưởi ấm không gian ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của hệ thống Ở yêu cầu sưởi ấm với nhiệt độ nước cấp là 50°C và nhiệt độ nước cấp là 70°C, công suất sưởi và hệ số hiệu suất (COP) tăng lần lượt là 32,6% và 18,2% khi nhiệt độ môi trường tăng từ −20°C đến 0°C COP của hệ thống tăng lên tới 15% ở điều kiện môi trường xung quanh cố định khi nhiệt độ cấp và nước cấp giảm từ 50°C/70°C xuống 40°C/50°C Một mô hình toán học cũng đã được phát triển và xác nhận bằng cách sử dụng dữ liệu thực nghiệm Mô hình này được sử dụng để nghiên cứu sự cải thiện hiệu suất của hệ thống kết hợp so với hệ thống CO2

6 xuyên tới hạn tiêu chuẩn Kết quả so sánh cho thấy hệ thống kết hợp đã cải thiện COP lên tới 22%

Raju cùng các cộng sự [8] đã phân tích ma sát và truyền nhiệt dòng hai pha của

R134a Thực nghiệm trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm hàn với các cánh tản nhiệt dạng dải lệch Các thí nghiệm được thực hiện ở phạm vi thông lượng khối lượng 50–82 kg/m²s, phạm vi thông lượng nhiệt 14–22 kW/m² và chất lượng 0,32–0,75 Phần thử nghiệm bao gồm ba cánh tản nhiệt, một cánh tản nhiệt bên môi chất lạnh trong đó truyền nhiệt sôi được áp dụng và hai cánh tản nhiệt bên nước Ba cánh tản nhiệt này được xếp chồng lên nhau, giữ chặt với nhau và hàn chân không để tạo thành bộ trao đổi nhiệt dạng tấm Môi chất lạnh R134a chảy ở giữa phần thử nghiệm được đun nóng bằng nước nóng từ các mặt trên và dưới của phần thử nghiệm Nhiệt độ và lưu lượng khối lượng của mạch nước được kiểm soát để có được các điều kiện đầu ra của môi chất lạnh R134a Truyền nhiệt sôi dòng chảy hai pha và hệ số ma sát đã được ước tính dựa trên dữ liệu thực nghiệm về hình dạng cánh tản nhiệt dạng dải lệch và được trình bày trong bài báo này Các tác động của thông lượng khối, thông lượng nhiệt và chất lượng hơi lên hệ số truyền nhiệt và độ giảm áp suất đã được nghiên cứu Hệ số truyền nhiệt cục bộ sôi hai pha có tương quan theo hệ số số Reynolds F và tham số Martinelli X Độ giảm áp suất có tương quan theo hệ số ma sát hai pha ϕf và tham số Martinelli X

Singh cùng các cộng sự [9] đã phân tích nhiệt động lực học của hệ thống làm lạnh ghép tầng R744 với chất làm lạnh ODP HFO thấp (R1234yf) R1234yf được sử dụng trong chu trình nhiệt độ cao và R744 trong chu trình nhiệt độ thấp Nghiên cứu được thực hiện ở nhiệt độ môi trường cao (lên đến 50°C) và các ứng dụng có nhiệt độ bay hơi thấp (lên đến-40°C) Nhiệt độ trung gian của thiết bị ngưng tụ/thiết bị bay hơi ghép tầng được tối ưu hóa cho TEWI thấp nhất của hệ thống Phân tích nhiệt động cũng được thực hiện cho các kết hợp khác nhau của các thông số thiết kế và vận hành như nhiệt độ bình ngưng, hiệu suất nhiệt độ bay hơi của bộ trao đổi nhiệt bên trong và nhiệt độ trung

7 gian của bình ngưng/thiết bị bay hơi theo tầng Hệ thống phân tầng được đề xuất có TEWI thấp nhất có thể do sử dụng R744 và R1234yf có GWP thấp và COP cao

Ayan Ghosh cùng cách cộng sự [10] đã tối ưu hóa COP và hiệu quả sử dụng năng lượng cũng như giảm thiểu tổng thất thoát năng lượng giúp xác định các điều kiện làm việc tối ưu cho hệ thống làm lạnh ghép tầng cũng như cung cấp cho chúng em một hệ thống thân thiện với môi trường hơn nhiều so với sự kết hợp hiện có của chất làm lạnh đang được sử dụng trong hệ thống làm lạnh theo tầng Chu trình làm lạnh theo tầng là một chu trình nhiệt động nhiều pha sử dụng nhiều chu trình làm lạnh kết hợp với bộ trao đổi nhiệt để nâng cao hiệu quả làm lạnh Nó sử dụng một chất làm lạnh để ngưng tụ chất làm lạnh chính khác hoạt động ở nhiệt độ bay hơi mong muốn Phương pháp này thường được sử dụng ở nhiệt độ từ 243 độ K đến 193 độ K khi làm nguội các khí hydrocarbon nhỏ hoặc các khí và hơi có nhiệt độ sôi thấp khác Nghiên cứu này nhằm mục đích kiểm tra các đặc tính năng lượng và hiệu suất của hệ thống làm lạnh ghép tầng

CO2 —R1234yf để có được giải pháp thay thế tốt về nhiệt động lực học và thân thiện với môi trường thông qua việc tạo ra một hệ thống làm lạnh ảo trong phần mềm EES để thay thế các chất làm lạnh hiện có có giá trị GWP cao hơn Với giá trị GWP xấp xỉ bằng 4, R1234yf có một vị trí đầy hứa hẹn so với các chất làm lạnh đang sử dụng như R134a, R404A, R410A, Phản ánh rằng đối với nhiệt độ thiết bị bay hơi là 253 độ K, nhiệt độ thiết bị ngưng tụ là 303 độ K và nhiệt độ trung gian tầng là 268 độ K thì tối ưu thu được kết quả về COP, hiệu suất kích thích và tổng tổn thất hiệu suất

Sun và các cộng sự [11] đã nghiên cứu hệ thống lạnh nén ghép tầng một phần R744

(R744-PC-TCS) đã được đề xuất và đánh giá về hệ số hiệu suất (COP) và tỷ lệ hiệu suất năng lượng theo mùa (SEER) khi vận hành ở 5 vùng khí hậu điển hình R134a và CO2 được sử dụng làm chất làm lạnh trong nghiên cứu này Kết quả cho thấy SEER của hệ thống lạnh siêu thị ở vùng lạnh khắc nghiệt và vùng ôn hòa cao hơn so với các vùng khí hậu khác Hiệu suất của Hệ thống lạnh nén hai cấp R134a (R134a-TCS) hoạt động tốt hơn Hệ thống lạnh nén hai cấp R744 (R744-TCS) Tuy nhiên, cả COP và SEER của hệ

8 thống CO2 đều có thể được cải thiện đáng kể bằng cách thêm một máy nén song song, cũng như sử dụng chu trình ghép tầng một phần nén hơi một cấp để làm mát phụ trong các điều kiện làm việc thực tế (chẳng hạn như R744-PC-TCS) Sự cải thiện lớn nhất của R744-PC-TCS có thể đạt được ở những khu vực có điều kiện khí hậu kém, trong đó COP tăng 48,9% ở nhiệt độ môi trường xung quanh 39°C và SEER tăng tối đa 21,5% vào mùa hè nóng nực và ấm áp vùng mùa đông, so với R744-TCS So với hệ thống R134a, R744-PC-TCS về cơ bản đạt được hiệu suất năng lượng tương đương hoặc thậm chí cao hơn Có thể kết luận rằng R744-PC-TCS được đề xuất có tiềm năng lớn để thay thế hệ thống làm lạnh R134a

Yang và các cộng sự [12] đã nghiên cứu hệ thống làm lạnh nén hai cấp CO2 xuyên tới hạn có và không có đầu phun ở nhiệt độ thấp được thiết lập và ảnh hưởng đến áp suất của bộ làm mát khí, nhiệt độ đầu ra của bộ làm mát khí và độ mở van tiết lưu điện tử đến hiệu suất của bộ làm mát khí và làm lạnh hệ thống được nghiên cứu thực nghiệm Ở áp suất bộ làm mát khí là 91 bar, nhiệt độ đầu ra là 33°C và độ mở van tiết lưu điện tử là 95%, COP của hệ thống làm lạnh nén hai cấp giãn nở phun CO2 xuyên tới hạn đạt mức cao nhất là 0,78, cao hơn 2,28 lần so với hệ thống làm lạnh nén hai cấp CO2 xuyên tới hạn trong cùng điều kiện vận hành Thí nghiệm này cũng thu được phạm vi hoạt động tối ưu của máy phun Ảnh hưởng của áp suất bộ làm mát khí đến COP là rõ ràng nhất trong các điều kiện được nghiên cứu trong nghiên cứu này, tiếp theo là việc mở van tiết lưu điện tử và cuối cùng là nhiệt độ đầu ra của bộ làm mát khí Tuy nhiên, có thể đạt được COP cao hơn đối với điều kiện mở van tiết lưu điện tử và ∆COP tương ứng cũng cao hơn Tồn tại cả áp suất trung gian tối ưu và áp suất làm mát khí tối ưu để tối đa hóa COP

Carlos cùng các cộng sự [13] đã nghiên cứu về hệ thống làm lạnh ghép tầng R134a/CO2 được thiết kế cho nhiệt độ bay hơi thấp trong các ứng dụng làm lạnh thương mại Thử nghiệm kết hợp hai chu trình nén hơi một cấp được điều khiển bởi máy nén nửa kín kết hợp thông qua hai bộ trao đổi nhiệt dạng tấm hàn đồng thau hoạt động song

9 song và được điều khiển bằng van tiết lưu điện tử Đánh giá thử nghiệm thu được (45 trạng thái ổn định) bao gồm nhiệt độ bay hơi từ −40°C đến −30°C và ngưng tụ từ 30°C đến 50°C Ở mỗi trạng thái ổn định, tiến hành kiểm tra nhiệt độ ngưng tụ của chu trình nhiệt độ thấp với sự thay đổi vận tốc của máy nén chu trình nhiệt độ cao Tại đây, hiệu suất năng lượng của thiết bị được xác định, tập trung vào hiệu suất của máy nén, chênh lệch nhiệt độ trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng, công suất làm mát, COP và nhiệt độ đầu ra của máy nén

Llopis và cộng sự [14] đã đánh giá thử nghiệm một bộ trao đổi nhiệt bên trong hoặc bộ trao đổi nhiệt 1 phía lỏng và 1 phía hơi trong một hệ thống lạnh dưới tới giới hạn

CO2 với bộ làm mát không khí Hệ thống được vận hành bằng máy nén nửa kín CO2

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu tính toán thiết kế mô phỏng quá trình truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt trong hệ thống lạnh ghép tầng dùng cặp môi chất R134a/CO2 bằng phần mềm Comsol Multyphysics 6.2 và so sánh với kết quả cảu thực nghiệm thực nghiệm

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.Môi chất R744

Môi chất R134a

R134a, còn được gọi là HFC-134a, là một loại chất làm lạnh thân thiện với môi trường và không gây phá hủy tầng Ozone Nó được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống làm lạnh và điều hòa không khí, R134a có điểm sôi cao, cho phép nó hoạt động hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ cao Nó cũng có áp suất vận hành, điều này giúp nó hoạt động ổn định trong các hệ thống có áp lực cao R134a không cháy, không độc hại và không gây ô nhiễm, không làm ảnh hưởng đến sức khỏe, làm cho môi chất này trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng làm lạnh Tuy nhiên, nó cũng có một số hạn chế nhất định, bao gồm khả năng gây tăng hiện tượng nóng lên toàn cầu ngoài ra khả năng gây ảnh hưởng đến hiệu suất

Hình 2.3 Đồ thị P-h cho môi chất lạnh R134a.

Hệ thống lạnh ghép tầng

Hệ thống lạnh ghép tầng hoạt động bằng cách ghép hai chu trình lạnh, sử dụng thiết bị bay hơi của chu trình tầng cao để giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ cho chu trình tầng thấp Thiết bị trao đổi nhiệt trong hệ thống lạnh ghép tầng đóng vai trò vừa là thiết bị ngưng tụ ở tầng thấp vừa là thiết bị bay hơi ở tầng cao Nên môi chất lạnh ở tầng thấp sẽ được giải nhiệt hiệu quả hơn so với chu trình lạnh thông thường giải nhiệt bằng nước hoặc gió Trong hệ thống lạnh ghép tầng ưu điểm của nó là có thể sử dụng nhiều loại môi chất và thiết bị của nhiều hãng khác nhau cho chu trình tầng cao và thấp có thể thiết kế nhiệt độ bay hơi rất thấp Hơn nữa, so với hệ thống lạnh nhiều cấp thì hệ thống lạnh ghép tầng sẽ đặt được nhiệt độ làm lạnh sâu hơn

Ngoài ra hệ thống lạnh ghép tầng không thể tránh khỏi những khuyết điểm: Cấu tạo khá phức tạp, độ chênh nhiệt độ giữa tầng thấp và tầng cao ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống Đồ thị log-ph của hệ thông được thể hiện ở hình 2.4

Công thức tính toán có liên quan trong thiết kế hệ thống lạnh ghép tầng Đối với việc tính toán chu trình lạnh của hệ thống lạnh ghép tầng, chúng ta sẽ tính riêng từng tầng và tính tương tự như chu trình lạnh một cấp Điều kiện để hệ thống hoạt động ổn định là năng suất lạnh của chu trình tầng cao bằng nhiệt lượng cần cho quá trình ngưng tụ của chu trình tầng thấp khi bỏ qua tổn thất nhiệt

Hình 2.4 Đồ thị P-h của hệ thống lạnh ghép tầng R134a/R744

Lưu lượng khối lượng môi chất tầng thấp tuần hoàn trong hệ thống:

𝑄0 – Năng suất lạnh của hệ thống, kW

Công nén riêng chu trình tầng thấp:

Công suất máy nén của chu trình tầng thấp:

Công suất động cơ máy nén:

Các hệ số ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ:

𝜂 ⅈ – Hiệu suất chỉ thị của quá trình nén khi kể đến ma sát của hơi môi chất lạnh

𝜂 𝑒 – Hệ số tổn thất ma sát giữa các chi tiết chuyển động của máy nén

𝜂 𝑒𝑙 – Hiệu suất động cơ điện, 𝜂 𝑡𝑑 = 0,8 ÷ 0,95

𝜂 𝑡𝑑 – Hệ số kể đến tổn thất do chuyền động: khớp nối, đai truyền, các máy nén kín và nữa kín, 𝜂 𝑡𝑑 = 1

Công suất nén đoạn nhiệt:

𝑚: Lưu lượng khối lượng môi chất tuần hoàn qua máy nén (g/s)

𝑙: Công nén riêng Kj/kg

𝜂 𝑡𝑑 𝜂 𝑒𝑙 Công suất động cơ lắp đặt:

Công suất động cơ máy nén tầng thấp:

Hệ số làm lạnh của chu trình tầng thấp:

Công suất của thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm mirco:

Lưu lượng khối lượng môi chất tầng cao tuần hoàn trong hệ thống:

Công suất thiết bị ngưng tụ tầng thấp:

Công nén riêng chu trình tầng cao:

Công suất máy nén của chu trình tầng cao:

Công suất động cơ máy nén tầng cao:

Hệ số làm lạnh chu trình tầng cao:

2.2.2 Chu trình lạnh ghép tầng

Hệ số hiệu quả năng lượng:

Hệ số làm lạnh của cả hệ thống:

Các công thức truyền nhiệt

2.3.1 Hệ số truyền nhiệt tổng

Hệ số truyền nhiệt tổng của hai môi chất lạnh được xác định theo trang 673 Tài liệu [27]

𝛼 𝑐 : Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của môi chất lạnh, (W/m 2 K)

𝛼 ℎ : Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của môi chất nóng, (W/m 2 K)

𝑘 : Nhiệt trở của lớp cách nhiệt, với 𝛿 là chiều dày của lớp cách nhiệt (m); k là hệ số dẫn nhiệt (W/m.K)

2.3.2 Phương trình truyền nhiệt giữa lưu chất nóng và lạnh Được xác định theo biểu thức (11.14) trang 678 [27]

U: Hệ số truyền nhiệt tổng, (W/m 2 K)

∆𝑡lm: Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit giữa hai lưu chất nóng và lạnh được xác định theo biểu thức (11.15) trang 678 [8]

Nếu hai lưu chất chuyển động thuận chiều thì biểu thức được xác định theo biểu thức (11.16) trang 678 [8]

Hình 2.5 Chu trình thuận chiều

Nếu hai lưu chất chuyển động thuận chiều thì biểu thức được xác định theo biểu thức (11.17) trang 679 [25]

Hình 2.6 Chu trình ngược chiều Với:

𝑡 ℎ,ⅈ : Nhiệt độ lưu chất nóng đi vào, ( o C)

𝑡 ℎ,𝑜 : Nhiệt độ lưu chất nóng đi ra, ( o C)

𝑡 𝑐.ⅈ : Nhiệt độ lưu chất lạnh đi vào, ( o C)

𝑡 𝑐.𝑜 : Nhiệt độ lưu chất lạnh đi ra, ( o C)

2.3.3 Hệ số tỏa nhiệt của môi chất trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm micro

 Hệ số tỏa nhiệt ngưng tụ của R744 trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng dạng tấm micro Được xác định theo biểu thức (11) trang 2010 [25]

𝛼 𝐶𝑎𝑙𝑐 : Hệ số tỏa nhiệt ngưng tụ của R744 trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng dạng tấm micro

𝛼c: Được xác định theo biểu thức (9) trang 2009 [25]

𝛼a: Được xác định theo biểu thức (10) trang 2009 [25]

𝑡 𝑠𝑎𝑡 , 𝑡 𝑤𝑎𝑙𝑙 : Lần lượt là nhiệt độ vách và nhiệt độ bão hòa, ( o C)

𝛼 𝐿𝑂 : Hệ số tỏa nhiệt một pha của chất lạnh

𝛼 𝑁𝑢 : Hệ số tỏa nhiệt trung bình do trọng lực chi phối được xác định theo biểu thức

 Hệ số tỏa nhiệt trung bình của R134a trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng dạng tấm micro Được xác định theo biểu thức (15) trang 147 Tài liệu [26]

𝛼 𝑎𝑣𝑒 : Hệ số tỏa nhiệt trung bình của R134a trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng dạng tấm micro

𝛼 𝑏 : Hệ số tỏa nhiệt trung bình đang sôi được xác định theo biểu thức (14) trang

𝑃𝑟 𝑙 : Hệ số Prandtl của chất lỏng được xác định theo biểu thức (7) trang 146 Tài liệu [26]

𝑅𝑒 𝑒𝑞 : Hệ số Reynolds tương đương được xác định theo biểu thức (8) trang 146 Tài liệu [26]

𝛼 𝑐𝑏 : Hệ số tỏa nhiệt đối lưu trung bình được xác định theo biểu thức (9) trang

𝛼 𝑛𝑏 : Hệ số tỏa nhiệt sôi hạt được xác định theo biểu thức (10) trang 146 Tài liệu

ℎ 𝑜 : Hệ số tham chiếu từ hệ số truyền nhiệt riêng của từng môi chất làm lạnh

𝑅 𝑎 : Độ nhám trung bình q: Mật độ dòng nhiệt

TOÁN THIẾT KẾ VÀ TIẾN HÀNH MÔ PHỎNG 3.1.Giới thiệu về phần mềm mô phỏng và tính toán thiết kế mô hình

Giới thiệu phần mềm mô phỏng Comsol Multiphysics 6.2

Trong thời đại hiện nay, để cải thiện hiệu suất hệ thống và tiết kiệm năng lượng thì việc phát triển các mô hình thiết bị trao đổi nhiệt khác nhau để phân tích đặc tính truyền nhiệt và tối ưu hóa thông số là một xu hướng quan trọng Việc này có khá nhiều phương pháp để thực hiện, nhưng phương pháp mô phỏng số đang được coi là phương pháp nổi bật nhất

Mô phỏng số là công nghệ tạo ra các mô hình hoạt động gần giống với các hiện tượng trong thực tế Việc mô phỏng trước khi đưa vào thực nghiệm mang lại các giúp giảm được chi phí, thời gian và vật liệu, đồng thời hạn chế được rủi ro mà trong thực tế khó có thể dự đoán được

Hiện nay, có nhiều phần mềm mô phỏng như: Fortran, Matlab, Ansys Fluent Và Comsol Multiphysics được sử dụng thông dụng

Phần mềm Comsol Multiphysics 6.2 là phần mềm mô phỏng với đa nền tảng cho phép xử lí, phân tích các phần tử hữu hạn và thực hiện mô phỏng dựa trên các cơ sở vật lý đã được xây dựng sẵn Phần mềm này cũng cho phép mở rộng và kết hợp các mô hình với nhiều cơ sở vật lý cụ thể khác nhau để phát triểm thành 1 hệ thống Những nền tảng khác nhau trên nhiều lĩnh như là: Âm học, phản ứng hóa học, kết cấu, các thiết bị bán dẫn….

Thiết lập mô phỏng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm micro

Đối tượng nghiên cứu là mô phỏng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm micro của hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 Bao gồm 4 tấm được làm bằng thép không ri và 3 lớp môi chất xen kẽ vào nhau như Hình 3.3 và Hình 3.4

Hình 3.3 Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm micro (minh họa)

Hình 3.4 Bản vẽ chi tiết các thông số ban đầu để vẽ

Các bước thiết lập mô phỏng và đánh giá chất lượng lưới

3.4.1 Tạo dựng mô hình và thiết lập lời giải ban đầu

Các thông số giá trị ban đầu:

Năng suất lạnh của thiết bị với nhiệt độ bay hơi t bh = -27 o C là Qk (CO2) = 1.6 kW

Bảng 3.6 Các số liệu ban đầu Lưu chất CO2 Lưu chất R134a Đơn vị

Lưu lượng vào 7,7.10 -3 3,78.10 -3 Kg/s Áp suất đầu ra 40,7 3,13 bar

Các thông số ban đầu nay dựa trên phần nghiên cứu thực nghiệm các nhóm làm đồ án trước đã thực hiện

Các phương trình chính yếu của phần mềm

Ngoài các bước thiết lập ra thì đây là một số phương trình chính yếu để giải phần mềm mô phỏng số Comsol Multiphysics 6.2

Bảng 3.7: Bảng tổng hợp các phương trình chính yếu được sư dụng trong phần mềm

Tên phương trình Phương trình Chú thích

Cân bằng động lượng cho dòng lưu chất:

- 𝜇 là độ nhớt động học (m 2 /s)

- 𝜇 T là độ nhớt động học rối (m 2 /s)

- I là ma trận đơn vị

- F là ngoại lực lên 1 đơn vị thể tích (N/m 3 )

- 𝜖 là hệ số tiêu tán năng lượng chảy rối

- q là mật độ dòng nhiệt (w/m 2

- 𝐶 𝑝,2 là nhiệt dung riêng đẳng áp của pha lỏng và pha hơi (J/kg.K)

- 𝜆 hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp

Bão toàn khối lượng cho lưu chất nén được:

3 𝜌 𝑘 I là thành phần bị nén Động năng rối 𝑘 được tính là:

Hệ số tiêu tán năng lượng rối:

𝑘 𝑓 𝜖 (𝜌, 𝜇, 𝑘, 𝜖, 𝐼 𝑤 ), 𝜖 = e p Độ nhớt động học rối:

Khối lượng riêng hỗn hợp môi chất:

Hệ số pha của môi chất

- T pc1-2 là nhiệt độ chuyển pha ( o C)

- 𝛥T 1-2 là khoảng nhiệt dộ thay đổi từ pha 1 (lỏng) sang pha 2 (hơi) 𝜃 1

- 𝜃 1 là tỷ lệ của pha 1, pha

- 𝜌1 𝜌2 là khối lượng riêng của pha 1, pha 2 (kg/m 3 )

- L1-2 là nhiệt ẩn hóa hơi của môi chất chuyển từ pha 1 sang pha 2 (kJ)

3.4.2 Thiết lập các bước mô phỏng mô hình Đối với máy tính sử dụng để mô phỏng nhóm sử dụng máy tính có cấu hình như sau:

 Vi xử lý: Intel Xeon CPU E5 v3 2.3 GHz (36 CPUs)

 Card đồ họa: NVIDIA GeForce GT 730

Các bước thiết lập mô phỏng được tiến hành theo 5 bước sơ bộ:

Các bước giải và hướng dẫn cài đặt thông số được ghi chi tiết ở dưới phần phụ lục Đặc biệt về phần Material (bước thứ 2):

Do hiện tại trong thư viện của Comsol không đáp ứng đủ các vật liệu với tính chất vật lý cần thiết để giải bài toán mô phỏng này vì vậy ở mục này ta cần phải tiến hành bước khởi tạo thêm R134a ở trạng thái hơi và R744 của trạng thái cả hơi và lỏng Để thao tác được việc thay đổi các thuộc tính này, ta nhấp chuột phải vào mục Basic rồi chọn Functions và Interpolation để thay đổi các thông số thuộc tính dựa trên bảng tính chất lỏng và hơi bão hòa ở trang 30.17 và 30.45 Tài liệu

Hình 3.5 Thao tác việc thay đổi tính chất vật lý

Lưu ý: Ở phần Density (rho) của môi chất Carbon Dioxie phụ thuộc cả 2 biến áp suất và nhiệt độ nên ta sử dụng thông số string bảng tra tạo ra được phương trình bật 2 rồi nhập vào phần Expression để cho ra giá trị chính xác

Hình 3.6 Nhập hàm khối lượng riêng tại mục Expresssion

3.4.3 Đánh giá chất lượng lưới (Mesh quality evaluation)

Trong quá trình giải và chia lưới thì chất lượng của lưới cũng không kém phần quan trọng trong phần mềm Comsol Multiphysics 6.2 có rất nhiều các kiểu chia lưới và các dạng lưới khác nhau và nhiều cách đánh giá chất lượng lưới khác nhau chọn kích thước cho phần tử lưới (Element size) cũng rất quan trọng Chọn kích thước phù hợp sẽ góp phần làm cho kết quả của quá trình chạy mô phỏng trở nên chính xác hơn Có nhiều kích thước phần tử lưới (Element size) khác nhau nhưng do giới hạn về tài nguyên máy tính, ở đây nhóm chúng em chọn đánh giá 5 phần tử lưới khác nhau theo từng mức độ:

Hình 3.7 chọn kích thước phần tử (Element size)

Khi tạo một mô hình lưới ở phần mềm Comsol Multiphysics 6.2 phần mềm sẽ luôn luôn mặc định lưới là do Physic điều khiển và với kích thước phần tử là Normal Và phần tham số mô hình sẽ được dùng để xác định cho kích thước của phần tử lưới có 5 tham số mô hình cụ thể như sau:

 Maximum element size (kích thước phần tử tối đa) giới hạn kích thước phần tử

 Minimum element size (kích thước phần tử tối thiểu) giới hạn độ nhỏ phần tử

 Maximum element growth rate (Tốc độ tăng của phần tử tối đa) giới hạn khác nhau về kích thước của hai phần tử lưới liền kề nhau

 Curvature factor (độ cong) giới hạn nằm trên đường cong của phần tử

 Resolution of narrow regions (độ phân giải của vùng hẹp) điều chỉnh số lớp của phần tử ở vùng hẹp

Ngoài ra để đánh giá được lưới có phù hợp để mô phỏng hay không

Qua 5 tiêu chí đánh giá kích thước phần tử lưới ta có được bảng:

Bảng 3.8 Bảng thống kế chất lượng phần tử lưới

Bảng trên cho thấy chất lượng lưới được đánh giá là đạt yêu cầu khi:

Minimum Elements Quality > 0.1 và Average Quality >0.5, như vậy mức lưới Normal và Coarse đủ điều kiện Đồng thời nhóm nghiên cứu còn chạy mô phỏng trường nhiệt độ dành riêng cho mô hình trao đổi nhiệt điển hình 2 phía nước để đánh giá kết quả điểm nhiệt độ không phụ thuộc vào chất lượng lưới như sau:

Thông số thống kê Normal Coarse Coarser Extra coarse

Minimum element quality (Chất lượng tối thiểu)

Average element quality (Chất lượng trung bình)

Number of edge element (Số lượng phần tử cạnh)

Number of vertex element (Số lượng phần tử đỉnh)

(số lượng ranh giới) 4698206 724658 2579078 492286 369498 Thời gian 120 phút 60 phút 30 phút 20 phút 15 phút

Bảng 3.9 Bảng đánh giá kết quả điểm nhiệt độ với các mức kích thước phần tử lưới với cùng lưu lượng đầu vào Kích thước phần tử lưới

Nhiệt độ đầu vào fluid 1 ( o C)

Nhiệt độ đầu ra fluid 1 ( o C)

Nhiệt độ đầu vào fluid 2 ( o C)

Nhiệt độ đầu ra fluid 2 ( o C)

Như vậy mức độ lưới Normal, Coarse, Coarser cho giá trị nhiệt độ đầu ra gần tương tự nhau và không phụ thuộc vào lưới, tuy nhiên thời gian giải bài toán của

Normal là cao nhất vì vậy kết hợp điều kiện về Minimum Elements Quality và

Average Quality thì mức lưới Coarse là phù hợp với tài nguyên máy tính để tiến hành mô phỏng

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT Ở nghiên cứu này, nhóm chúng em thực hiện mô phỏng gồm 4 trường hợp với sự thay đổi nhiệt độ bay hơi của lưu chất R134a và so sánh với kết quả với thưc nghiệm mà nhóm đồ án trước đã thực hiện

Sau khi tiến hành quá trình mô phỏng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm micro của hệ thống

R134a/CO2 với các thông số và thiết lập mô phỏng như phần Chương 3 và sử dụng nhiệt độ bay hơi có giá trị lần lượt giảm dần 4 o C – 3 o C – 2 o C – 1 o C (tương ứng lần lượt theo 4 trường hợp a, b, c, d), áp suất ngưng tụ của R744 được giữ nguyên 40.7bar, nhiệt độ đầu vào 58 o C ở giá trị dựa theo các số liệu thực tế mà các nhóm đồ án làm trước thực hiện

Nhóm nghiên cứu thu thập được những kết quả khi sau đây:

Trường nhiệt độ

4.1.1 Trường nhiệt độ của kênh lưu chất CO 2 a Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 4 o C b Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 3 o C

47 c Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 2 o C d Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 1 o C

Hình 4.1 Sự biến thiên nhiệt độ của kênh lưu chất CO2

Kết quả biểu thị của Hình 4.1 thể hiện nhiệt độ của lưu chất CO2 thay đổi khi thực hiện quá trình ngưng tụ từ pha hơi thành pha lỏng, với nhiệt độ đầu vào là 58 o C, nhiệt độ đầu ra cho kết quả nhiệt độ đầu ra là 6,5 o C ứng với trường hợp t0 = 4 o C; 5,8 o C ứng với trường hợp t0 = 3 o C; 4,1 o C ứng với trường hợp t0 = 2 o C và 2,7 o C ứng với trường hợp t0 = 1 o C Kết quả mô phỏng chỉ ra vào giai đoạn đầu, lưu chất CO2 có sự giảm nhiệt độ lớn từ 58 o C xuống 10 o C Bắt đầu từ một phần ba giai đoạn về sau tại thời điểm này CO2 bắt đầu ngưng tụ và quá lạnh đến đầu ra nên nhiệt độ gần như không thay đổi Kết luận này cũng đúng và tương tự với những trường hợp còn lại Từ việc so sánh 4 trường hợp ta suy ra nhận xét rằng nhiệt độ đầu ra của kênh CO2 sẽ giảm khi nhiệt độ bay hơi R134a giảm

4.1.2 Trường nhiệt độ của kênh lưu chất R134a

48 Hình 4.2 Sự biến thiên nhiệt độ trong kênh lưu chất R134a a Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 4 o C b Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 3 o C

49 c Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 2 o C d Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 1 o C

Hình 4.3 Sự biến thiên nhiệt độ trong kênh lưu chất R134a (phóng to)

Kết quả biểu thị của Hình 4.2 và Hình 4.3 thể hiện môi chất R134a thay đổi nhiệt độ khi thực hiện quá trình bay hơi từ pha lỏng thành pha hơi với nhiệt độ đầu vào của lưu chất 4 o C và nhiệt độ đầu ra cho kết quả nhiệt độ đầu ra là 31 o C ứng với trường hợp t0 = 4 o C; 29 o C ứng với trường hợp t0 = 3 o C; 26 o C ứng với trường hợp t0 = 2 o C và 25,5 o C ứng với trường hợp t0 = 1 o C Kết quả cũng chỉ ra khi môi chất R134a đi vào (ở giai đoạn đầu của miền lưu chất) thì nhiệt độ thay đổi rất ít, nhiệt độ chỉ thay đổi lớn hơn khi môi chất được quá nhiệt từ trạng thái hơi bão hòa khô sang hơi quá nhiệt ở giai đoạn một phần ba đoạn cuối của kênh lưu chất trở về phía ra Kết quả chỉ ra rằng nhiệt độ ở đầu ra sẽ giảm khi nhiệt độ bay hơi R134a giảm.

Độ khô

4.2.1 Độ khô của kênh lưu chất CO 2

50 a Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 4 o C b Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 3 o C c Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 2 o C d Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 1 o C

Hình 4.4 Sự thay đổi về độ khô của kênh lưu chất CO2

Từ Hình 4.4 cho thấy sự đổi pha khi lưu chất CO2 ngưng tụ, cụ thể là sự biến đổi pha từ vùng màu đỏ (pha hơi) thành vùng màu xanh (pha lỏng) Môi chất CO2 ở trạng thái hơi quá nhiệt, khi nhiệt độ giảm để chuyển đổi từ trạng thái hơi quá nhiệt sang trạng thái hơi bão hòa ẩm và cuối cùng kết quả của 4 trường hợp cho thấy lưu chất CO2 được ngưng tụ hoàn toàn trở thành trạng thái lỏng bão hòa (ứng với độ khô là 0)

4.2.2 Độ khô của kênh lưu chất R134a

51 Hình 4.5 Sự thay đổi về độ khô của kênh lưu chất R134a a Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 4 o C b Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 3 o C

52 c Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 2 o C d Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 1 o C

Hình 4.6 Sự thay đổi về độ khô của kênh lưu chất R134a (phóng to) Kết quả biểu thị của Hình 4.5 và Hình 4.6 thể hiện sự thay đổi pha khi lưu chất

R134a bay hơi, cụ thể là sự thay đổi pha từ vùng màu xanh (pha lỏng) thành vùng màu đỏ (pha hơi) Kết quả của 4 trường hợp đều thể hiện rằng lưu chất R134a chuyển đổi hoàn toàn thành trạng thái hơi quá nhiệt (ứng với độ khô tăng từ 0,5 lên 1).

Trường phân bố vận tốc

4.3.1 Trường phân bố vận tốc của kênh lưu chất CO 2

Hình 4.7 Sự phân bố vận tốc của kênh lưu chất CO2

Kết quả biểu thị của Hình 4.7 cho thấy sự phân bố vận tốc của môi chất CO2, vận tốc có sự phân bố đồng đều bên trong kênh lưu chất và vận tốc phân bố theo quy luật nhanh ở khu vực trung tâm kênh và chậm dần ra phía thành vách do lực nhớt của lưu chất Lưu lượng đầu vào cho trước của 4 trường hợp mô phỏng là không đổi dẫn đến trường phân bố vận tốc tại các trường hợp này cũng ít có sự thay đổi

4.3.2 Trường phân bố vận tốc của kênh lưu chất R134a

Hình 4.8 Sự phân bố vận tốc của kênh lưu chất R134a

Kết quả biểu thị của Hình 4.8 cho thấy sự phân bố vận tốc của môi chất R134a, vận tốc có sự phân bố đồng đều bên trong kênh lưu chất và vận phân bố theo qui luật tương tự như môi chất CO2.

Khối lượng riêng

4.4.1 Khối lượng riêng của môi chất CO 2 a Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 4 o C b Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 1 o C

Hình 4.9 Sự thay đổi khối lượng riêng của kênh lưu chất CO2

Kết quả biểu thị của Hình 4.9 cho thấy môi chất CO2 có sự thay đổi khối lượng riêng Ở phía CO2, lưu chất ban đầu ở trạng thái hơi (vùng màu xanh) có khối lượng riêng nhỏ thay đổi thành trạng thái lỏng (vùng màu đỏ) có khối lượng riêng lớn Tại trạng thái hơi, giá trị khối lượng riêng vào khoảng 88.4 kg/m 3 và khi thay đổi thành trạng lỏng có giá trị vào khoảng 889,4 kg/m 3 ứng với trường hợp t0 = 4 o C và 909 kg/m 3 ứng với trường hợp t0 = 1 o C

4.4.2 Khối lượng riêng của môi chất R134a

55 a Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 4 o C b Ứng với nhiệt độ bay hơi R134a t0 = 1 o C

Hình 4.10 Sự thay đổi khối lượng riêng của kênh lưu chất R134a

Kết quả biểu thị của Hình 4.10 cho thấy lưu chất R134a có sự thay đổi về khối lượng riêng Ở trạng thái hơi (vùng màu xanh) thì giá trị khối lượng riêng khoảng 16,55 kg/m 3 , và khi thay đổi thành trạng lỏng (vùng màu đỏ) thì giá trị vào khoảng 1187 kg/m 3 ứng với t0 = 4 o C và 2002,9 kg/m 3 ứng với t0 = 1 o C.

Kết quả so sánh và đánh giá giữa mô phỏng và thực nghiệm

Sau khi thu thập được các kết quả từ phần mềm mô phỏng và lấy dữ liệu phần thực nghiệm dựa của các nhóm đồ án trước đã làm thì sau đây là phần đồ thi dùng để so sánh:

Hình 4.11 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ đầu ra của môi chất R744

Hình 4.12 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ đầu ra của môi chất R134a

Nhận xét và đánh giá:

- Sau khi so sánh kết quả của nhiệt độ đầu ra của 2 môi chất R134a và R744 tại 4 trường hợp thay đổi nhiệt độ bay hơi của môi chất R134a từ mô phỏng so với thực nghiệm được đề cập ở nghiên cứu trước [28], ta thấy được rằng:

- Kết quả biểu diễn ở Hình 4.11 cho thấy độ tương đồng của nhiệt độ đầu ra về phía môi chất R744 giữa mô phỏng với thực nghiệm và có sự chênh lệch tốt hơn so với kết quả của nghiên cứu thực nghiệm với sai số dưới 8,8%

- Kết quả biểu diễn ở Hình 4.12 cho thấy độ tương đồng của nhiệt độ đầu ra về phía môi chất R134a giữa mô phỏng với thực nghiệm và có sự chênh lệch tốt hơn so với kết quả của nghiên cứu thực nghiệm với sai số nhỏ hơn 11,6%

LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1.Kết luận

Kiến nghị 58 PHỤ LỤC

- Về đồ án nhóm chúng em đã hoàn thành cơ bản về đồ án làm tốt mục tiêu đề tài đưa ra Nhóm chúng em đã rất nỗ lực cho ngày đêm tìm tòi, nghiên cứu và không ngừng tìm hiểu nhưng vẫn còn nhiều mặt hạn chế về thời gian, kinh nghiệm, kiến thức chuyên sâu về ngành và mô phỏng dẫn đến đồ án có nhiều hạn chế về nguồn tài

59 nguyên máy tính và sót không đáng có điều hạn chế nhất của đề tài đó là chỉ có thể dừng ở mức mô phỏng và so sánh với kết quả thực nghiệm Vì thế nhóm chúng em rất nhiều khó khăn cần vượt qua và những kiến thức nghiên cứu chuyên sâu hơn nữa vẫn chưa thể đưa vào cho nên nhóm em đề xuất các nhóm sau sẽ đầu tư tiến hành giải với mức lưới tinh hơn để cho ra kết quả chính xác hơn

- Đối với mô hình của đề tài các nhóm sau có thể tiến hành mô phỏng thiết bị hồi nhiệt gắn thêm vào trong hệ thống đề cải thiện hiệu suất của hệ thống

[1] Dang, T., Teng, J T., & Chu, J C (2010) A study on the simulation and experiment of a microchannel counter-flow heat exchanger Applied Thermal Engineering, 30(14–

[2] Dang, T., & Nguyen, H (2023) A Study on the Simulation and Experiment of Evaporative Condensers in an R744 Air Conditioning System Micromachines, 14(10),

[3] Dang, T., & Nguyen, T (2022) Effect of the Pressure Ratio on the Heat Transfer Phenomena of the Evaporator in CO2 Air Conditioning System In Lecture notes in mechanical engineering (pp 1299–1305)

[4] Dang, T., Giang, K., Nguyen, H., & Le, B (2019c) A Numerical Simulation on Heat Transfer Behaviors in the Gas Cooler of a CO2 Air Conditioning System

[5] Bellos, E., & Tzivanidis, C (2019) A Theoretical Comparative Study of CO2 Cascade Refrigeration Systems Applied Sciences, 9(4), 790

[6] Song, Y., Li, D., Cao, F., & Wang, X (2017) Investigation of the optimal intermediate water temperature in a combined r134a and transcritical CO 2 heat pump for space heating International Journal of Refrigeration, 79, 10–24

[7] Yang, D., Song, Y., Cao, F., Jin, L., & Wang, X (2016) Theoretical and experimental investigation of a combined R134a and transcritical CO2 heat pump for space heating International Journal of Refrigeration, 72, 156–170

[8] Raju, M A., Babu, T P A., & Ranganayakulu, C (2017) Flow boiling heat transfer and pressure drop analysis of R134a in a brazed heat exchanger with offset strip fins Heat and Mass Transfer, 53(10), 3167–3180

[9] Singh, S., & Dasgupta, M S (2016) THERMODYNAMIC ANALYSIS OF A LOW TEWI (R1234YF-R744) CASCADE SYSTEM

[10] Ghosh, A., Sharma, A., Varshney, B., Chirag, N., & Kashyap, P K (2023) A Theoretical Thermodynamic Analysis of R1234yf/CO2 Cascade Refrigeration System

In Lecture notes in mechanical engineering (pp 57–69)

[11] Sun, Z., Li, J., Liang, Y., Sun, H., Liu, S., Yang, L., Wang, C., & Dai, B (2020) Performance assessment of CO2 supermarket refrigeration system in different climate zones of China Energy Conversion and Management, 208, 112572

[12] Yang, D., Zhu, J., Wang, N., & Xie, J (2023) Experimental study on the performance of trans-critical CO2 two-stage compression refrigeration system with and without an ejector at low temperatures International Journal of Refrigeration, 154, 231–

[13] Sanz-Kock, C., Llopis, R., Sánchez, D., Cabello, R., & Torrella, E (2014) Experimental evaluation of a R134a/CO 2 cascade refrigeration plant Applied Thermal Engineering, 73(1), 41–50

[14] Llopis, R., Sanz-Kock, C., Cabello, R., Sánchez, D., & Torrella, E (2015) Experimental evaluation of an internal heat exchanger in a CO2 subcritical refrigeration cycle with gas-cooler Applied Thermal Engineering, 80, 31–41

[15] Colorado, D., Hernández, J A., & Rivera, W (2012) Comparative study of a cascade cycle for simultaneous refrigeration and heating operating with ammonia, R134a, butane, propane, and CO2as working fluids International Journal of Sustainable Energy, 31(6), 365–381

[16] Brown, J S., Yana-Motta, S F., & Domanski, P A (2002) Comparitive analysis of an automotive air conditioning systems operating with CO2 and R134a International Journal of Refrigeration, 25(1), 19–32

[17] Shishov, V V., & Talyzin, M S (2020) Efficiency of Refrigeration Equipment on Natural Refrigerants Chemical and Petroleum Engineering, 56(5–6), 385–392

[18] Yilmaz, B., Erdonmez, N., Sevindir, M K., & Mancuhan, E (2014) Thermodynamic Analysis and Optimization of Cascade Condensing Temperature of a CO2 (R744)/R404ACascade ResearchGate

[19] Zheng, W., Yang, X., Li, Z., Yang, B., Zhang, Q., Lei, L., & Hou, Y (2023) Designs of Tandem Catalysts and Cascade Catalytic Systems for CO2 Upgrading Angewandte Chemie, 62(43)

[20] Lao, W C., Fang, Y D., Chen, Q H., Xu, L J., Yang, H N., & Huang, Y Q

(2024) Experimental investigation on the flow boiling of R134a in a plate heat exchanger with mini-wavy corrugations International Journal of Refrigeration

[21] Hwang, Y., Radermacher, R., Jin, D H., & Hutchins, J (2005) Performance measurement of CO2 heat exchangers ResearchGate

[22] Sarkar, J (2011) Performance optimization of transcritical CO2 refrigeration cycle with thermoelectric subcooler International Journal of Energy Research, 37(2), 121–

[23] Kwon, Y C., Kim, D H., Lee, J H., Choi, J Y., & Lee, S J (2009) Experimental study on heat transfer characteristics of internal heat exchangers for CO2 system under cooling condition Journal of Mechanical Science and Technology, 23(3), 698–706

[24] Chen, W., & Fang, X (2014) A note on the Chen correlation of saturated flow boiling heat transfer International Journal of Refrigeration, 48, 100–104

[25] Mancin, S., Del Col, D., & Rossetto, L (2012) Condensation of superheated vapour of R410A and R407C inside plate heat exchangers: Experimental results and simulation procedure International Journal of Refrigeration, 35(7), 2003–2013

[26] Longo, G A., Mancin, S., Righetti, G., & Zilio, C (2015) A new model for refrigerant boiling inside Brazed Plate Heat Exchangers (BPHEs) International Journal of Heat and Mass Transfer/International Journal of Heat and Mass Transfer, 91, 144–

[27] Incropera, F P., Bergman, T L., DeWitt, D P., Lavine, A., Seetharamu, K N., &

R, S T (2011b) Fundamentals of Heat and Mass Transfer

[29] Bùi Trọng Quỳnh (2023) Nghiên cứu ảnh hưởng của độ chênh nhiệt độ tại bộ trao đổi nhiệt ghép tầng đến hệ số làm lạnh của hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 dựa trên phần mềm ees Đồ án tốt nghiệp

[30] Nguyễn Minh Châu (2023) Nghiên cứu thực nghiệm bộ trao đổi nhiệt ghép tầng tấm micro (Micro Plate Heat Exchanger) có năng suất lạnh 2000W Luận văn thạc sĩ

PHỤ LỤC Các bước thực hiện quá trình mô phỏng

Tạo dựng mô hình và thiết lập lời giải

1 Mở phần mềm Comsol Multiphysics và chọn mục Model Wizard để tạo dựng mô hình

2 Trên thanh Select Space Dimension chọn vào mục 3D:

3 Tại cây thư mục Select Physics, =>

Heat Transfer(ht) => Conjugate Heat Transfer => Turbulent Flow, sau đó chọn Turbulent Flow, k-

4 Tiếp theo ở bước Add Study ấn vào mục Statoinary và hoàn tất tại phần

5 Chọn Import trên thanh công cụ Geometry Toolbar

6 Thêm mô hình đã được dựng trước đó vào COMSOL, tại mục Length Unit thay đổi đơn vị về mm tiếp theo chung ta Build All

66 Khi hoàn thành các bước trên, thì mô hình sẽ xuất hiện bên cửa sổ Graphics

Chọn vật liệu cho mô hình (Materials):

1 Thực hiện thao tác thêm vật liệu bằng Add Materials vào mô hình từ thư viện Sẽ có 3 miền vật liệu cho mô hình, đầu tiên là vật liệu thép không gỉ AISI 316L, thứ 2 là môi chất lạnh R134a và cuối cùng là R744

2 Tại Add Material, ấn vào mục Liquid and gas chọn Liquid tiếp theo R-134A

(C2H2F4), hoàn tất bằng Add to Component Với môi chất CO2 và thép AISI 312L thì ta cũng thực hiện tương tự như các tao tác trên

3 Lưu ý: R134A ở trạng thái hơi không có sẳn trong library Comsol vì vậy ta tiến hành Duplicate R-134A (C2H2F4) và thay đổi lại các tính chất vật lý của R134A trở thành thể hơi Để thao tác được việc thay đổi các thuộc tính này, ta nhấp chuột phải vào mục Basic rồi chọn Functions và Interpolation để để đưa vào thông số thuộc tính dựa trên bảng tính chất lỏng và hơi bão hòa (Tài liệu trang 30.17 và 30.45) [28]

Sau đó ta tiếp tục làm tương tự với Carbon dioxie ở 2 dạng là Gas và lỏng

Lưu ý: Ở phần Density(rho) của Carbon dioxie phụ thuộc cả 2 biến áp suất và nhiệt độ nên ta phải tìm ra được phương trình bật 2 nhập vào phần Expression để cho ra giá trị chính xác

Việc thêm những vật liệu trong thư viện và thay đổi các thông số vật lý được hoàn tất thì tiếp theo gáng miền vật liệu ứng các khối trong mô hình

Thiết lập Heat Transfer (module truyền nhiệt)

Bài toán mô phỏng truyền nhiệt không thể thiếu bước thiết lập các điều kiện ban đầu ở mục này

Chúng ta cần giữ nguyên thiết lập mặc định cho khối rắn của Comsol tại mục truyền nhiệt cho khối rắn

Chúng ta giữ nguyên thiết lập truyền nhiệt mặc định của chất lỏng và hơi của Comsol

Thiết lập điều kiện đầu vào của kênh lưu chất R134a Ở phần này được dùng để cài đặt nhiệt độ đầu vào cho kênh lưu chất R134a

Thiết lập điều kiện nhiệt độ của kênh lưu chất R134a

Việc được sử dụng để cài đặt điều kiện nhiệt độ đầu ra cho kênh lưu chất R134a(outlet1)

Thiết lập điều kiện thay đổi pha của kênh lưu chất R134a

1 Ở module Fluid 1 chúng ta bấm chuột phải vào rồi chọn Phase Change

3 Cài đặt các thông số như hình

Lưu ý: Ở phần này tra theo bảng tính chất của hơi và lỏng bão hòa của môi chất R134a (Tài liệu trang 30.17) [28] => Ta sẽ tính được nhiệt ẩn hóa hơi của môi chất R134a và nhập vào mục

4 Sau đó lần lượt ta chọn trạng thái của lưu chất ứng với phase 1 và phase 2

Thiết lập điều kiện đầu vào của kênh lưu chất CO 2 Ở phần này được dùng để cài đặt nhiệt độ đầu vào cho kênh lưu chất CO2

Thiết lập điều kiện nhiệt độ đầu ra R744

Việc được sử dụng để cài đặt điều kiện nhiệt độ đầu ra cho kênh lưu chất CO2

Thiết lập điều kiện thay đổi pha của kênh lưu chất R744

1 Thao tác tương tự với R134a

2 Thêm vào mục Phase change material và cài đặt các thông số theo hình dưới đây

Lưu ý: Ở phần này tra theo bảng tính chất của hơi và lỏng bão hòa của môi chất R744 (Tài liệu trang 30.45) [28] => Ta sẽ tính được nhiệt ẩn hóa hơi của môi chất R744 và nhập vào mục

3 Sau đó lần lượt ta chọn trạng thái của lưu chất ứng với phase 1 và phase 2

Thiết lập Turbulent Flow, k-ε (module dòng chảy rối) Điều kiện ban đầu

Tại đây cài đặt cho dòng chảy những điều kiện ban đầu Điều kiện vách

Thực hiện điều chỉnh chế độ không trượt cho vách Đầu vào kênh lưu chất R134a

Thực hiện điều chỉnh điều kiện dòng chảy đầu vào của kênh R134a Đầu ra kênh lưu chất R134a

Thực hiện điều chỉnh điều kiện đầu ra phía R134a dựa trên áp suất

Thiết lập điều kiện dòng chảy đầu vào của kênh CO2 Đầu ra CO 2

Thực hiện điều chỉnh điều kiện đầu ra của kênh CO2 dựa trên áp suất

Khởi tạo lưới và thực hiện giải mô hình

1 Tại mục Mesh, chọn Element size sau đó chọn Coarse

2 Hoàn tất bằng việc Build All