Nghiên cứu trường nhiệt độ và độ ẩm của không khí qua thiết bị bay hơi kênh mini dùng môi chất lạnh CO2

Nắm bắt được những xu hướng và khuyết điểm đó các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao hiệu suất cũng như chất lượng của thiết bị trao đổi nhiệt. Trong số đó có một hướng nghiên cứu mới là sử dụng thiết bị làm mát ống mini và sử dụng CO2 làm môi chất lạnh thay thế cho các môi chất lạnh hiện nay. Việc nghiên cứu và sử dụng thiết bị làm mát ống mini đã thu nhỏ được kích thước thiết bị mà vẫn có hiệu quả tốt, mật độ truyền nhiệt cao, chi phí chế tạo, lắp đặt hợp lí. Đồng thời, khi CO2 được sử dụng phổ biến trong hệ thống lạnh thay có các môi chất lạnh hiện 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. TS ĐẶNG THÀNH TRUNG nay thì lượng Flourocarbon sẽ giảm và lượng CO2 bên ngoài môi trường cũng sẽ giảm đi. Nhằm góp phần cho những giải pháp này, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu trường nhiệt độ và độ ẩm của không khí qua thiết bị bay hơi kênh mini dùng môi chất lạnh CO2”. 1.2. Mục đích chọn đề tài Tìm hiểu và nghiên cứu về môi chất lạnh CO2 và bộ trao đổi nhiệt kích thước mini, cùng sự thay đổi các đặc tính vật lí của các trường vật chất (không khí) đi qua thiết bị bay hơi kênh mini

TỔNG QUAN

Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng là yếu tố thiết yếu cho sự tồn tại và phát triển của xã hội hiện đại, đồng thời duy trì sự sống trên trái đất Trong nhiều thập kỷ qua, nhu cầu tiêu thụ năng lượng toàn cầu đã gia tăng cùng với sự phát triển kinh tế, trong đó nhiên liệu hóa thạch như dầu thô, than đá và khí tự nhiên chiếm ưu thế Tuy nhiên, những nguồn năng lượng này đang dần cạn kiệt, điều này khiến cho việc tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lượng trở nên vô cùng quan trọng và cần thiết cho tương lai.

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa hiện nay, việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường trở thành vấn đề cấp thiết Tiết kiệm năng lượng không chỉ giúp giảm thiểu lượng nhiên liệu tiêu thụ mà còn giảm thiểu chất thải gây hại cho môi trường Ngành công nghiệp nhiệt lạnh, bao gồm hệ thống lạnh công nghiệp và lạnh dân dụng, có tiềm năng lớn trong việc tiết kiệm năng lượng.

Thiết bị trao đổi nhiệt là thành phần quan trọng trong hệ thống lạnh và điều hòa không khí của các tòa nhà, chung cư, trường học, trung tâm thương mại, cũng như trong các nhà máy phục vụ nhu cầu đông lạnh hải sản Hiện nay, nhiều hệ thống lạnh sử dụng môi chất lạnh như CFC, HCFC và HFC, gây ảnh hưởng đến tầng Ozon và góp phần vào hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu Ngoài ra, thiết bị trao đổi nhiệt chủ yếu được chế tạo từ ống đồng cánh nhôm, với kích thước tùy thuộc vào công suất, dẫn đến hiệu suất không cao và kết cấu cồng kềnh, đặt ra yêu cầu về kích thước, thẩm mỹ, năng suất và giá thành.

Các nhà khoa học đang nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu suất và chất lượng thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó có việc sử dụng thiết bị làm mát ống mini kết hợp với CO2 làm môi chất lạnh Nghiên cứu này giúp thu nhỏ kích thước thiết bị mà vẫn duy trì hiệu quả tốt, mật độ truyền nhiệt cao và chi phí chế tạo, lắp đặt hợp lý Việc áp dụng CO2 trong hệ thống lạnh đang trở nên phổ biến, thay thế cho các môi chất lạnh truyền thống.

3 nay thì lượng Flourocarbon sẽ giảm và lượng CO2 bên ngoài môi trường cũng sẽ giảm đi

Nhằm góp phần cho những giải pháp này, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài

“Nghiên cứu trường nhiệt độ và độ ẩm của không khí qua thiết bị bay hơi kênh mini dùng môi chất lạnh CO2”.

Mục đích chọn đề tài

Nghiên cứu về môi chất lạnh CO2 và bộ trao đổi nhiệt mini giúp hiểu rõ hơn về sự thay đổi các đặc tính vật lý của không khí khi đi qua thiết bị bay hơi kênh mini Việc tìm hiểu này không chỉ nâng cao hiệu quả năng lượng mà còn tối ưu hóa hiệu suất làm lạnh trong các ứng dụng công nghiệp.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Rao và các cộng sự đã nghiên cứu đặc tính dòng chảy và hệ số truyền nhiệt của CO2 trong các kênh khác nhau Bài viết này cung cấp tổng quan về các nghiên cứu liên quan đến dòng chảy và đặc tính truyền nhiệt của CO2 Các yếu tố như kích thước ống, lưu lượng môi chất, nhiệt độ và áp suất đầu vào và đầu ra đều ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt của CO2 Khi áp suất đầu vào tăng, mật độ và độ nhớt cũng tăng, dẫn đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn và ngược lại.

Jadhav và các cộng sự đã nghiên cứu đặc tính dòng chảy của ống mao đối lưu cho chất làm lạnh R744, so sánh kết quả từ mười sáu mô hình với các dữ liệu có sẵn Họ đã lập biểu đồ dự đoán tốc độ dòng chảy của R744 và so sánh với kết quả của Wang và cộng sự, dựa trên sai số trung bình ở các trạng thái khác nhau Kết quả cho thấy sai số bình quân trung bình nằm trong giới hạn chấp nhận được, phù hợp cho dự báo tốc độ khối lượng của ống mao trong các điều kiện hoạt động đã chọn cho R744 Mô hình này có thể áp dụng để thiết kế ống mao cho chất làm lạnh CO2.

Nghiên cứu của Austin và Sumathy [3] cho thấy việc sử dụng bơm nhiệt với áp suất làm việc cao hơn áp suất của CO2 mang lại hiệu năng vượt trội, với nhiệt độ tới hạn của CO2 nhỏ hơn nhiệt độ tới hạn của bơm nhiệt Điều này giúp hệ thống không bị giới hạn trong phạm vi nhiệt độ hoạt động, được gọi là bơm nhiệt liên tục hoặc bơm nhiệt không giới hạn.

Bắt đầu từ đầu những năm 1990, bốn chu trình bơm nhiệt liên tục sử dụng carbon dioxide đã được phát triển Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, cùng với sự phát triển của các hệ thống thương mại, đã nâng cao hiệu suất tới hạn của hệ thống gần bằng với các hệ thống bơm nhiệt thông thường Các nghiên cứu cho thấy máy bơm nhiệt CO2 có khả năng hoạt động hiệu quả cho các ứng dụng làm nóng nước và không khí.

Gullo và cộng sự đã nghiên cứu hiệu suất của môi chất R744 thông qua các thí nghiệm tại các cửa hàng bán lẻ thực phẩm quy mô trung bình ở nhiều khu vực khí hậu khác nhau tại châu Âu.

So sánh giữa môi chất R404A và R744 cho thấy hệ thống lạnh sử dụng R744 tiết kiệm năng lượng hơn từ 3% đến 37,1% so với R404A trên toàn châu Âu Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc kết nối song song máy phun với đầu phun hơi và đầu phun chất lỏng mang lại hiệu quả tối ưu nhất ở mọi chế độ vận hành, đồng thời là công nghệ thân thiện với khí hậu cho ngành bán lẻ thực phẩm châu Âu.

Nghiên cứu của Bansal [5] về nguyên tắc và ứng dụng của môi chất lạnh CO2 trong hệ thống làm lạnh sâu đã chỉ ra tính an toàn, phân tích nhiệt động lực học, cũng như những thách thức và nhu cầu thiết kế hệ thống mới CO2, với đặc tính thân thiện với môi trường và chi phí cạnh tranh, đặc biệt phù hợp cho ngành công nghiệp thực phẩm Hệ thống làm lạnh CO2 cho thấy hiệu suất vượt trội, đạt được hiệu suất tốt hơn 60% so với hệ thống lạnh một cấp sử dụng R404A ở nhiệt độ thấp, đặc biệt trong điều kiện khí hậu lạnh hơn Hệ thống phân tầng kết hợp CO2 với hydrocarbon hoặc HFC cũng đang trở thành lựa chọn phổ biến trong điều kiện khí hậu ấm hơn.

Santosa và các cộng sự đã nghiên cứu các hệ số truyền nhiệt và môi chất làm lạnh trong ống xoắn bằng mô hình động lực học tính toán (CFD) Kết quả cho thấy, so với các phép đo thực nghiệm, việc thêm một khe ngang trên vây giữa hàng đầu và hàng thứ hai của ống dẫn có thể tăng tỷ lệ nhiệt thải của thiết bị ngưng tụ từ 6% đến 8%.

Diện tích truyền nhiệt và diện tích trao đổi nhiệt nhỏ có thể dẫn đến lượng nhiệt thải thấp hơn ở phía áp suất cao, từ đó nâng cao hiệu quả cho hệ thống làm lạnh Kết quả của quá trình truyền nhiệt này cung cấp nguồn tài liệu quý giá cho các nhà nghiên cứu và sản xuất CO2 cũng như các dàn trao đổi nhiệt.

Chien và các đồng nghiệp đã tiến hành nghiên cứu hệ số trao đổi nhiệt bay hơi của ba chất làm lạnh R32, CO2 và R290 trong kênh mini có đường kính 1,5 mm và chiều dài từ 500 mm đến 2000 mm Dữ liệu thực nghiệm được thu thập trong điều kiện mật độ dòng khối từ 150 đến 500 kg/m² và mật độ dòng nhiệt từ 5.

Khi mật độ dòng nhiệt đạt 20 kW/m², với nhiệt độ bão hòa 10°C và độ khô 0,1, hệ số trao đổi nhiệt của R290, CO2 và R32 tăng lên đáng kể Điều này cho thấy sự sôi bọt là cơ chế truyền nhiệt chủ yếu Đặc biệt, lưu lượng khối lượng có tác động lớn đến hệ số trao đổi nhiệt của CO2.

Yang cùng các cộng sự đã nghiên cứu thiết bị làm mát ống xoắn trong hệ thống bơm nước nóng sử dụng môi chất CO2, thông qua việc đo thí nghiệm và phân tích lý thuyết hoạt động của hai bộ làm mát không khí dạng ống xoắn Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng nhiều ống trong bộ làm mát ống xoắn sẽ cải thiện nhiệt độ đầu ra của nước Khi áp suất CO2 trong thiết bị tăng lên, nhiệt độ nước cũng sẽ gia tăng Tuy nhiên, áp suất CO2 sẽ giảm khi số lượng ống bên trong thiết bị làm mát khí tăng Để nâng cao nhiệt độ nước ra, có thể tăng tốc độ làm lạnh, nhiệt độ đầu vào của nước và giảm tốc độ dòng nước làm mát.

Jin và các cộng sự đã nghiên cứu và phát triển mô hình thiết bị sử dụng môi chất CO2 trong hệ thống điều hòa không khí Báo cáo trình bày mô hình phân tích máy tính nhằm dự đoán hiệu suất của thiết bị bay hơi trong hệ thống điều hòa không khí di động Mô hình này được xây dựng dựa trên các phương trình bảo toàn năng lượng và khối lượng, truyền nhiệt của môi chất lạnh, cũng như đặc tính giảm áp suất và tổn thất áp suất tại đầu vào và đầu ra của kênh micro Nhờ đó, mô hình có khả năng dự đoán chính xác hiệu suất của thiết bị bay hơi.

Fadil Ayad và các cộng sự đã nghiên cứu và thiết kế hệ thống dàn bay hơi cho CO2 trong hệ thống điều hòa không khí ô tô Nhóm đã tiến hành nghiên cứu sự bay hơi của CO2 trong cả ống thông thường và các kênh mini Họ đã xây dựng một cơ sở dữ liệu thực nghiệm về truyền nhiệt sôi CO2 trong kênh mini và phát triển một mô hình dự đoán hệ số truyền nhiệt của hơi hóa CO2 Mô hình này được xác nhận thông qua cơ sở dữ liệu thử nghiệm cho dòng chảy ngang, bao gồm các điều kiện hoạt động của thiết bị bay hơi CO2 trong ô tô.

Lee Jae Seung và nhóm nghiên cứu đã điều tra hiệu suất của hệ thống điều hòa không khí CO2 sử dụng thiết bị phun (ejector) như một thiết bị tiết lưu Hệ thống này cho thấy hiệu suất giảm nhẹ so với hệ thống thông thường, nhưng để cải thiện điều này, một chu trình mới với máy phun đã được đề xuất Các chỉ số COP của hệ thống điều hòa không khí sử dụng đầu phun đã được tính toán và so sánh với hệ thống thông thường dựa trên áp suất và nhiệt độ thí nghiệm Kết quả cho thấy khả năng làm mát và COP của hệ thống sử dụng bộ phun cao hơn đáng kể so với hệ thống thông thường, với tỷ lệ kèm theo lớn hơn 0,76.

Tình hình nghiên cứu trong nước

ThS Nguyễn Trọng Hiếu và các cộng sự đã thực hiện thí nghiệm về hệ thống điều hòa không khí CO2 sử dụng bộ trao đổi nhiệt bằng đồng Nghiên cứu đã thử nghiệm máy nén và bộ làm mát bằng phương pháp thủy lực để xác định nhiệt độ biến dạng và hư hỏng Kết quả cho thấy máy nén thông thường không phù hợp cho áp suất cao, với hệ số hiệu suất COP của chu kỳ rất thấp, chỉ đạt 0,5.

CO2 có thể đạt được hệ số hiệu suất (COP) 3,07 khi nhiệt độ bay hơi là 10°C, tương đương với hiệu suất của các hệ thống điều hòa không khí thương mại hiện có trên thị trường.

PGS.TS Đặng Thành Trung và nhóm cộng sự đã thực hiện thí nghiệm về hệ thống điều hòa không khí CO2 sử dụng thiết bị bay hơi kênh mini với quá trình quá lạnh Kết quả cho thấy hiệu suất của hệ thống tăng cao khi áp dụng quá trình quá lạnh, với hệ số hiệu suất (COP) đạt 4,97 ở áp suất 77 bar và nhiệt độ bay hơi 15ºC, trong khi không có quá trình này, COP chỉ đạt gần 1,59, thấp hơn cả hệ thống điều hòa thông thường Nhóm nghiên cứu đề xuất rằng hệ thống điều hòa không khí CO2 nên hoạt động ở áp suất từ 74-77 bar và nhiệt độ bay hơi từ 10-15ºC trong chế độ siêu tới hạn để đạt hiệu quả và độ an toàn cao hơn.

ThS Nguyễn Trọng Hiếu và nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát môi chất CO2 trong thiết bị bay hơi kênh micro, sử dụng phương pháp mô phỏng số để xác định đặc tính truyền nhiệt Kết quả cho thấy trường nhiệt độ, vận tốc và áp suất của thiết bị Cụ thể, nhiệt độ đầu ra của CO2 ở lưu lượng 1,6 g/s cao hơn so với lưu lượng 3,2 g/s Đặc biệt, tổn thất áp suất qua thiết bị bay hơi kênh micro được ghi nhận là không đáng kể, giảm từ 38,164 bar.

38 bar Các kết quả này đồng thuận với các nghiên cứu liên quan

Hồ Đặng Trí và đồng nghiệp đã tiến hành so sánh hiệu suất giữa một máy làm mát kênh micro và hai bộ làm mát thông thường sử dụng CO2, với cùng công suất nhiệt nhưng thể tích của bộ làm mát kênh micro nhỏ hơn Kết quả cho thấy hiệu suất truyền nhiệt của bộ làm mát kênh micro vượt trội hơn so với các bộ làm mát thông thường, tuy nhiên, bộ làm mát này chỉ hoạt động hiệu quả ở áp suất lạnh dưới 75 bar, vì khi áp suất vượt quá 100 bar, nó sẽ bị vỡ Trong chu kỳ thử nghiệm ở nhiệt độ bay hơi 9ºC, chỉ số COP đạt được là 6,6, cao hơn so với các nghiên cứu trước đó.

PGS.TS Đặng Thành Trung và các cộng sự đã tiến hành so sánh tốc độ trao đổi nhiệt giữa bộ trao đổi nhiệt thông thường và bộ trao đổi nhiệt kênh mini Kích thước của bộ trao đổi nhiệt kênh mini chỉ bằng 64% kích thước của bộ thông thường Kết quả cho thấy, tốc độ truyền nhiệt của bộ kênh mini cao hơn 145W, gần bằng với hiệu suất của bộ tản nhiệt scooter Thí nghiệm cũng chỉ ra rằng việc sử dụng nước làm môi chất mang lại hiệu suất truyền nhiệt tốt hơn so với dung dịch etylen Các kết quả này tương đồng với các nghiên cứu trước đây.

Nghiên cứu về môi chất lạnh CO2 đang ngày càng trở nên phổ biến và trở thành một vấn đề cần thiết trong lĩnh vực nghiên cứu hiện nay Việc tăng cường nghiên cứu CO2 không chỉ thể hiện tiềm năng lớn mà còn mang lại nhiều lợi ích đáng kể.

Phương pháp thực hiện đề tài

Phương pháp tổng quan là việc tổng hợp các nghiên cứu liên quan để xác định hướng nghiên cứu và mục tiêu của đề tài Qua đó, phương pháp này giúp xác định chính xác đối tượng và phạm vi thực hiện nghiên cứu.

Phương pháp thực nghiệm: Thu thập số liệu, phân tích, kiểm tra, so sánh thông số chạy thực nghiệm dàn lạnh CO2 kênh mini từ xưởng Nhiệt

Phương pháp phân tích dữ liệu liên quan đến việc tính toán và phân tích các quá trình nhiệt động, truyền nhiệt và cơ sở điều hòa không khí, dựa trên các thông số thực nghiệm thu được.

Giới hạn đề tài

Đối tượng tính toán thiết kế dựa trên các nghiên cứu trước, bao gồm máy nén lạnh CO2 công suất 470W, thiết bị làm mát ống đồng cánh nhôm với giải nhiệt bằng không khí, và dàn lạnh compact sử dụng ống dẹp chứa các kênh mini có năng suất lạnh khoảng 2700W, cùng với điều kiện nhiệt độ môi trường tại khu vực thí nghiệm.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ sở truyền nhiệt

Theo định luật bảo toàn năng lượng, năng lượng chỉ chuyển đổi giữa các dạng khác nhau Nghiên cứu truyền nhiệt tập trung vào các dạng năng lượng và sự biến đổi của chúng khi xảy ra quá trình truyền nhiệt giữa các vật có nhiệt độ khác nhau Khoa học truyền nhiệt giúp giải thích nguyên nhân của quá trình này và dự đoán mức độ trao đổi nhiệt theo các điều kiện liên quan Các dòng nhiệt, mặc dù không thể đo trực tiếp, được thể hiện qua sự chênh lệch nhiệt độ trong hệ, với dòng nhiệt luôn di chuyển từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp, tức là khi tồn tại gradient nhiệt độ Do đó, nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong hệ là yếu tố quan trọng trong truyền nhiệt, cần thiết cho việc tính toán, kiểm tra và thiết kế Các quy luật trong nghiên cứu truyền nhiệt giúp điều chỉnh sự trao đổi nhiệt giữa các vật theo yêu cầu thực tiễn Truyền nhiệt là một quá trình phức tạp, diễn ra đồng thời qua ba hình thức chính: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ.

Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt năng từ khu vực có nhiệt độ cao sang khu vực có nhiệt độ thấp thông qua sự chuyển động và va chạm của các phần tử và nguyên tử.

Dẫn nhiệt diễn ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vật thể tiếp xúc, dẫn đến việc truyền nhiệt từ vật thể có nhiệt độ cao sang vật thể có nhiệt độ thấp Quá trình này xảy ra ngay tại các điểm tiếp xúc giữa chúng.

Dẫn nhiệt không chỉ có mặt trong các vật thể rắn, mà còn có mặt trong cả chất lỏng và cả chất khí

2.1.2 Trao đổi nhiệt đối lưu

Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình xảy ra khi chất lỏng có nhiệt độ tf chảy qua bề mặt vật thể có nhiệt độ tw, dẫn đến sự trao đổi nhiệt giữa chất lỏng và bề mặt rắn Quá trình này tạo ra sự truyền nhiệt do sự tiếp xúc giữa hai môi trường với nhiệt độ khác nhau.

Sự chuyển dịch tương đối giữa bề mặt chất lỏng và chênh lệch nhiệt độ gây ra thay đổi mật độ chất lỏng Sự chênh lệch này tạo ra chuyển động, hình thành dòng đối lưu và mang theo nhiệt lượng Đối lưu có hai loại chính.

Đối lưu tự nhiên là quá trình chuyển động của chất lỏng do sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng khác nhau, dẫn đến sự khác biệt về khối lượng riêng Sự chênh lệch này tạo ra lực nâng tự nhiên, giúp chất lỏng di chuyển và phân phối nhiệt độ đều hơn.

Đối lưu cưỡng bức là quá trình chuyển động của chất lỏng được tạo ra bởi các tác nhân cơ học bên ngoài như máy nén, bơm và quạt Trong quá trình này, luôn tồn tại yếu tố đối lưu tự nhiên, góp phần vào sự vận chuyển và phân phối nhiệt trong chất lỏng.

2.1.3 Trao đổi nhiệt bức xạ

Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình truyền nhiệt giữa các vật thông qua sóng điện từ Khi hai vật ở khoảng cách xa trong môi trường chân không, không có sự dẫn nhiệt hay đối lưu, thì nhiệt độ được truyền giữa chúng chủ yếu qua bức xạ.

Bức xạ phát sinh từ bên trong vật và được phát ra qua bề mặt, trong khi bức xạ từ bên ngoài xâm nhập vào vật và giảm dần cường độ Sự bức xạ và hấp thụ năng lượng được coi là quá trình xếp chồng lên nhau Hơn nữa, tính chất của vật liệu, bề mặt và độ sáng của vật ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hấp thụ và phản xạ sóng điện từ từ môi trường xung quanh.

Cơ sở điều hòa không khí

Điều hòa không khí đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống, giúp tạo ra môi trường thoải mái cho con người Các nhà sản xuất thiết bị điều hòa luôn chú trọng đến việc thiết lập điều kiện lý tưởng, nhằm mang lại sự dễ chịu tối đa Khi được sống và làm việc trong không gian có không khí điều hòa phù hợp, sức khỏe của con người được bảo vệ tốt hơn và năng suất làm việc, học tập cũng được nâng cao đáng kể.

Trong việc tính toán và thiết kế hệ thống điều hòa không khí, việc xác định các quá trình diễn ra trong không khí là yêu cầu cốt lõi Sau khi nhận diện, các quá trình này sẽ được phân tích một cách chi tiết.

Việc áp dụng các định luật bảo toàn khối lượng và năng lượng là rất quan trọng trong các quá trình liên quan đến điều hòa không khí Tất cả các quá trình này có thể được thể hiện rõ ràng trên đồ thị không khí ẩm, giúp chúng ta nhanh chóng hình dung và xác định những thay đổi của không khí thông qua các thông số quan trọng như nhiệt độ, độ ẩm tương đối, hàm ẩm, và entalpy Thông thường, các tính toán trong điều hòa không khí tập trung vào việc kiểm tra và xác định nhiệt ẩn và nhiệt hiện của môi trường, từ đó đưa ra các giải pháp hợp lý nhất cho ứng dụng.

Nhiệt ẩn là nhiệt lượng cần thiết để chuyển đổi một khối lượng đơn vị vật chất từ trạng thái lỏng sang khí hoặc ngược lại mà không làm thay đổi nhiệt độ Trong điều hòa không khí, nhiệt ẩn đóng vai trò quan trọng trong việc làm ngưng tụ hơi nước trong không khí thành dạng lỏng, từ đó thay đổi hàm lượng độ ẩm trong không khí.

Nhiệt hiện là lượng nhiệt liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ của vật chất Trong điều hòa không khí, sự thay đổi nhiệt độ không khí là yếu tố chính thể hiện nhiệt hiện trong quá trình trao đổi nhiệt với dàn lạnh.

Các tính chất của môi chất R744 (CO 2 )

Môi chất lạnh R744 (CO2) có những tính chất và đặc điểm khác biệt so với các môi chất lạnh thông thường Là một loại khí làm lạnh tự nhiên, CO2 không cháy, không gây suy giảm Ozon (ODP = 0) và có hệ số nóng lên toàn cầu thấp (GWP = 1) Áp suất hơi của CO2 cao hơn và công suất làm lạnh đạt 22,545 KJ/m³ ở 0℃, lớn hơn gấp 3-10 lần so với các môi chất CFC và HFC Sơ đồ vùng chuyển pha của R744 chỉ ra rằng nhiệt độ và áp suất tới hạn lần lượt là 73,8 bar và 30,9℃, trong khi điểm ba thể nằm ở -57℃ và 4,2 bar Ở 0℃, áp suất bão hòa của CO2 là 35 bar, với chênh lệch áp suất là 0,47.

[26] cao hơn nhiều so với áp suất của chất lỏng thông thường Hình 2.1 và Hình 2.2 thể hiện biểu đồ áp suất – enthalpy và nhiệt độ - entropy của môi chất R744

2.3.2 Ưu nhược điểm của môi chất CO 2

- Không màu, không mùi, có sẵn trong tự nhiên nên giá thành thấp

- Công suất làm lạnh cao

- Có khả năng tương thích và kết hợp tốt với các loại dầu bôi trơn

- Có độ chênh áp thấp trong đường ống làm việc và trên thiết bị trao đổi nhiệt

Ví dụ sự tác động của đường hút dài và đường lỏng rất nhỏ

- Ít độc và không bắt lửa

- Không gây ăn mòn với tất cả các loại vật liệu

Hình 2.1: Đồ thị lgp-h của môi chất R744

Hình 2.2: Đồ thị T-s môi chất R744

- Hệ thống có nguy cơ rò rỉ cao Do đó thiết kế của các hệ thống R744 có cấu tạo phức tạp dẫn đến giá thành khá cao

- Các thiết bị trong hệ thống cần được kiểm định an toàn thường xuyên do chúng phải làm việc ở áp lực cao.

Cơ sở thực nghiệm

Thực nghiệm là phương pháp thu thập dữ liệu từ đối tượng khảo sát và môi trường xung quanh với mục đích rõ ràng Dữ liệu này được thu thập thông qua các biến đổi từ các trường vật lý có thể quan sát và đo đạt bằng thiết bị hỗ trợ Phương pháp thực nghiệm được áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu kỹ thuật, y học và nhiều lĩnh vực khoa học khác.

Trong nghiên cứu thực nghiệm, các nhà nghiên cứu có thể chủ động can thiệp vào quá trình thay đổi tự nhiên của đối tượng để đạt được kết quả mong muốn Việc tác động này không chỉ giúp định hướng đối tượng theo mục tiêu nghiên cứu mà còn tạo ra những giá trị mới, sáng tạo và có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu.

Các công thức tính toán liên quan

Sự tương quan giữa lưu lượng gió và tốc độ gió:

G = .V ( kg/s) Trong đó: F: diện tích mặt cắt ngang của quạt: F = r 2 , [m 2 ]

: khối lượng riêng của môi chất, [kg/m 3 ] v: tốc độ quạt, [m/s]

Trong quá trình thực nghiệm, các thông số như F,  và v được giữ nguyên, cho thấy lưu lượng trong quá trình thực nghiệm hoàn toàn ổn định và không thay đổi.

Công thức nhiệt động học:

Công nén đoạn nhiệt để nén G kg môi chất lạnh từ trạng thái 1 đến trạng thái 2:

N = G.(i2 - i1) Năng suất giải nhiệt cho G kg môi chất lạnh tại thiết bị làm mát:

Q2-3= G.(i2 – i3) Năng suất lạnh của G kg môi chất lạnh tại thiết bị bay hơi:

Công thức tính toán độ chênh nhiệt độ trung bình được biểu diễn như sau: 1/α1 + ∑ (δi/λi) từ i=1 đến n + 1/α2, trong đó α1 là hệ số tỏa nhiệt phía chất nóng, α2 là hệ số tỏa nhiệt phía chất lạnh, δi là chiều dày lớp thứ i, và λi là hệ số dẫn nhiệt của lớp thứ i Nhiệt trở tỏa nhiệt được tính bằng 1/α, đơn vị là m² độ/W, trong khi nhiệt trở dẫn nhiệt được tính bằng δ/λ, với n là số lớp vách.

∆t ng ̅̅̅̅̅̅ =∆t max − ∆t min ln∆t max

Trong đó: ∆t̅̅̅̅̅̅ ng – độ chênh nhiệt độ trung bình logarit trong dạng lưu động ngược chiều

∆tmin – đầu có ∆t nhỏ Mật độ dòng nhiệt: q =Q 0

Trong đó: F – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt k – hệ số truyền nhiệt

∆t ft ̅̅̅̅̅ = ε ∆t ∆t̅̅̅̅̅̅ – độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit trong dạng lưu động phức ng tạp

Với ε∆t = f(P, R) – hệ số hiệu chỉnh

Công thức tính toán điều hòa không khí (theo tài liệu [27])

Công thức tính tổng nhiệt lượng không khí trao đổi với dàn lạnh được biểu diễn bằng: Qo,air = Ql + Qs = ms.(ii – io) Trong đó, Q đại diện cho tổng nhiệt lượng không khí (kW), ms là lưu lượng khối lượng không khí (kg/m³), ii là entalpy của không khí trước khi vào dàn (kJ/kg), và io là entalpy của không khí sau khi ra dàn (kJ/kg) Nhiệt ẩn của không khí đi qua dàn cũng cần được xem xét trong quá trình này.

Ql = ms.hfg.(W1 – W2) Trong đó: Ql – Nhiệt ẩn (kW) hfg – Nhiệt ẩn hóa hơi của hơi nước trong không khí hfg = 2501 kJ/kg

W1 – dung ẩm của không khí trước khi vào dàn (kg/kgkkk)

W2 – dung ẩm không khí sau khi ra dàn (kg/kgkkk) Nhiệt hiện của không khí đi qua dàn:

Qs = ms.Cpkk.∆t Trong đó: Qs – nhiệt hiện (kW)

Cpkk – nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí (kJ/kg.độ)

Cpkk ≈ 1,021 kJ/kg.độ (theo tài liệu [27])

∆t – độ chênh nhiệt độ của không khí trước và sau dàn

THIẾT LẬP HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM

Sơ đồ nguyên lý

Mô hình thực nghiệm là một hệ thống làm lạnh không khí sử dụng CO2, được vận hành thực tế để đo lường hệ số tỏa nhiệt đối lưu của khí này CO2 đang được các nhà nghiên cứu toàn cầu chú trọng như một lựa chọn thay thế cho các loại gas lạnh khác.

Hệ thống nghiên cứu sử dụng thiết bị làm mát ống đồng thông thường kết hợp với thiết bị bay hơi kênh mini Kết quả thực nghiệm được thu thập bằng nhiều loại thiết bị đo lường, bao gồm cảm biến nhiệt độ thông thường, cảm biến nhiệt độ micro, thiết bị đo nhiệt độ Extech và thiết bị đo nhiệt độ - độ ẩm để bàn và treo tường Sơ đồ nguyên lý của quá trình thực nghiệm được trình bày trong hình 3.1.

Môi chất lạnh CO2 được nén đẳng entropy từ trạng thái hơi bão hòa khô (điểm 1) đến trạng thái hơi quá nhiệt (điểm 2) Sau đó, nó được làm mát tại thiết bị làm lạnh, đạt trạng thái tại điểm 3 Tiếp theo, môi chất đi qua van tiết lưu và trở thành hơi bão hòa ẩm ở điểm 4 trước khi vào dàn lạnh để làm lạnh không khí, hoàn thành một vòng tuần hoàn của môi chất lạnh.

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lí quá trình thực nghiệm

Các thiết bị chính của hệ thống

Máy nén được coi là “quả tim” của hệ thống lạnh nén hơi, có chức năng quan trọng trong việc đẩy môi chất lạnh tuần hoàn khắp hệ thống Nhiệm vụ chính của máy nén là nén môi chất lên áp suất cao, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển pha và đảm bảo áp lực đủ để môi chất có thể tuần hoàn xuyên suốt hệ thống lạnh Hình ảnh máy nén lạnh CO2 được minh họa trong hình 3.2.

3.2.2 Thiết bị làm mát gas CO 2 ống đồng cánh nhôm

Thiết bị trao đổi nhiệt có chức năng làm mát môi chất CO2, giúp nhanh chóng chuyển pha từ thể hơi quá nhiệt sang thể lỏng bão hòa Vai trò của thiết bị làm mát là rất quan trọng, ảnh hưởng đến áp suất cao Pk, từ đó quyết định hiệu quả làm lạnh và độ an toàn của hệ thống Hình 3.3 minh họa thiết bị làm mát ống đồng cánh nhôm.

Hình 3.2: Máy nén gas CO 2

Van tiết lưu tay có khả năng điều chỉnh tiết diện bằng cách xoay núm vặn, giúp giảm áp suất đột ngột và hạ nhiệt độ của môi chất lạnh Điều này rất quan trọng cho quá trình làm mát khí trong thiết bị bay hơi Hình 3.4 minh họa van tiết lưu trong hệ thống.

3.2.4 Thiết bị bay hơi ống nhôm kênh mini

Môi chất lạnh CO2 với nhiệt độ và áp suất thấp hấp thụ nhiệt từ không khí trong thiết bị bay hơi, giúp giảm nhiệt độ không khí cần làm mát Quá trình này chuyển đổi môi chất lạnh CO2 từ hơi bão hòa ẩm sang hơi quá nhiệt, sau đó quay trở lại máy nén Hình 3.5 và 3.6 minh họa thiết bị bay kênh mini.

Hình 3.3: Thiết bị làm mát ống đồng cánh nhôm

Hình 3.4: Van tiết lưu tay

Các thiết bị đo

3.3.1 Đồng hồ đo áp suất

Hệ thống lạnh trong nghiên cứu này sử dụng một đồng hồ đo áp suất để hiển thị áp suất của môi chất, được kết nối vào đầu đẩy của máy nén, như thể hiện trong hình 3.7.

Hình 3.5: Thiết bị bay hơi ống nhôm kênh mini

Hình 3.6: Các thông số kênh mini [32]

3.3.2 Thiết bị đo áp suất kỹ thuật số

Hệ thống lạnh được trang bị thiết bị đo áp suất điện tử để hiển thị áp suất của môi chất tại các điểm quan trọng như đầu hút máy nén, sau tiết lưu và sau ngưng tụ Hình 3.8 và 3.9 minh họa đầu cảm biến tín hiệu và bộ đo áp suất kỹ thuật số.

Hình 3.7: Đồng hồ đo áp suất

Hình 3.8: Đầu cảm biến tín hiệu áp suất kỹ thuật số

3.3.3 Bộ đo nhiệt độ micro

Bộ đo nhiệt độ này cho phép hiển thị nhiệt độ tại điểm cần đo với độ chính xác cao Nó được kết nối vào đầu đẩy máy nén, sau dàn làm mát, sau tiết lưu, trước dàn bay hơi mini, và sau dàn bay hơi, đồng thời môi trường làm mát trong thí nghiệm cũng được theo dõi Hình 3.10 minh họa bộ thiết bị này.

Hình 3.9: Thiết bị đo áp suất kỹ thuật số

Hình 3.10: Bộ đo nhiệt độ micro

3.3.4 Thiết bị đo độ ẩm

Hệ thống này hiển thị độ ẩm tại điểm cần đo với độ chính xác cao, sử dụng thiết bị đo độ ẩm để ghi nhận nhiệt độ không khí ở cả đầu vào và đầu ra của thiết bị bay hơi kênh mini Hình 3.11 minh họa thiết bị này.

3.3.5 Thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm để bàn

Hệ thống này hiển thị nhiệt độ và độ ẩm với độ chính xác tương đối, sử dụng thiết bị đo để ghi nhận các thông số không khí tại đầu vào của thiết bị bay hơi kênh mini Hình 3.12 minh họa thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm để bàn.

Hình 3.11: Máy đo độ ẩm

Hình 3.12: Thiết bị đo nhiệt độ - độ ẩm để bàn

3.3.6 Thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm treo tường

Hệ thống này hiển thị nhiệt độ và độ ẩm tại khu vực cần đo, sử dụng thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm để kiểm tra điều kiện không khí trong phòng thí nghiệm Hình 3.13 minh họa thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm được treo trên tường.

3.3.7 Thiết bị đo vận tốc gió

Trong nghiên cứu này, thiết bị đo vận tốc gió được sử dụng để xác định tốc độ gió thoát ra từ dàn bay hơi kênh mini, với tốc độ yêu cầu là 3 m/s Hình 3.14 minh họa thiết bị đo vận tốc gió thực tế.

Hình 3.13: Thiết bị đo nhiệt độ - độ ẩm treo tường

Hình 3.14: Thiết bị đo vận tốc gió

Quy trình thực nghiệm

Các bước tiến hành thực nghiệm:

Bước đầu tiên là kiểm tra các vị trí thu tín hiệu, đồng thời ghi lại các giá trị áp suất và nhiệt độ ban đầu từ đồng hồ đo và bộ cảm biến điện tử.

Bước 2: Kiểm tra van tiết lưu, các van chặn

Kiểm tra nguồn điện cung cấp cho máy nén, quạt dàn làm mát, quạt dàn bay hơi, cũng như nguồn điện cho bộ cảm biến nhiệt độ và cảm biến áp suất là bước quan trọng trong quá trình bảo trì hệ thống.

Bước 1: Cho hệ thống chạy các quạt làm mát và quạt dàn bay hơi trước, sau đó mới bắt đầu cho máy nén chạy, vận hành hệ thống

Bước 2: Đợi cho hệ thống hoạt động ổn định và điều chỉnh van tiết lưu để đồng hồ áp suất đầu đẩy đạt mức áp suất phù hợp, thường bắt đầu từ áp suất dư 74 bar để thu thập số liệu.

Đợi hệ thống ổn định ở áp suất mong muốn, sau đó ghi lại thông số và điều chỉnh van tiết lưu để tăng áp suất đầu đẩy lên giá trị tiếp theo, mỗi lần tăng là 1 bar.

Bước 4: Tiếp tục lặp lại như bước 3, lấy thông số của hệ thống tại các giá trị áp suất đầu đẩy 75 > 76 > 77 > 78 > 79 > 80 bar

Trong quá trình thực nghiệm, việc theo dõi hệ thống thường xuyên là rất quan trọng để đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành Cần đặc biệt lưu ý đến tình huống áp suất tăng cao bất thường vượt ngưỡng an toàn; trong trường hợp này, việc dừng ngay lập tức và khắc phục nguyên nhân là điều cần thiết.

- Sau 10 -15 phút, tắt các quạt ở dàn bay hơi và dàn làm mát

- Tắt các bộ cảm biến nhiệt độ và áp suất

- Ngắt nguồn điện cấp cho hệ thống

- Kiểm tra lại các van chặn, van tiết lưu

- Vệ sinh và dọn dẹp ngăn nắp khu vực thí nghiệm

CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Trường nhiệt độ

4.1.1 Hệ thống vận hành ở chế độ van tiết lưu 1

• Thông số thực nghiệm thu được

Kết quả thực nghiệm được thu thập từ ngày 4/3/2019 đến ngày 25/4/2019, trong điều kiện nhiệt độ môi trường dao động khoảng 30°C Một kết quả thực nghiệm tiêu biểu được trình bày trong Bảng 4.1 và Bảng 4.2 dưới đây.

Bảng 4.1: Bảng thông số thực nghiệm

Việc điều chỉnh áp suất đầu đẩy qua van tiết lưu đã tác động đến các thông số nhiệt động của hệ thống trong quá trình vận hành Cụ thể, khi áp suất Pk tăng, các thông số liên quan cũng có sự thay đổi đáng kể.

Áp suất P0 có xu hướng giảm khi Pk tăng từ 75 lên 77 bar, cụ thể là từ 42,5 xuống 42,1 bar, và giữ nguyên ở Pk = 77 và 78 bar Hình 4.1 minh họa tác động của áp suất Pk và P0 đến nhiệt độ của môi chất lạnh sau khi qua tiết lưu vào dàn lạnh Khi áp suất Pk tăng lên 79 bar, áp suất P0 mới tiếp tục giảm, như được thể hiện trong hình 4.1.

Trong quá trình thực nghiệm, đã ghi nhận sự tổn thất áp suất khoảng 0,8 – 1 bar sau tiết lưu đến đầu hút máy nén Nguyên nhân của sự tổn thất này có thể do môi chất lưu chuyển qua các đoạn chuyển hướng và thiết bị bay hơi kênh mini Thay đổi áp suất sau tiết lưu được thể hiện rõ trong bảng 4.2.

Bảng 4.2: Sự thay đổi của áp suất P 0 sau tiết lưu sau khi đi qua dàn lạnh và đến đầu hút méy nén

Pk (bar) P sau tiết lưu (bar) P sau dàn lạnh

Hình 4.1: Ảnh hưởng của áp suất P k và P o và nhiệt độ môi chất vào dàn lạnh

Quá trình thực nghiệm cũng như tính toán của nhóm bao gồm 4 bước được trình bày cụ thể như sau:

Bước 1: Xác định điểm nút của chu trình:

+ Điểm 1: Điểm cắt của p1 và đường nhiệt độ t1 (Trạng thái hơi hút vào máy nén)

+ Điểm 2: Từ điểm 1 kẻ đường song song s1 = s2 = const Điểm cắt của đường p2 với s1 = s2 chính là 2 (Trạng thái hơi quá nhiệt ra khỏi máy nén)

+ Điểm 3: Điểm cắt của p2 và t3 ( trạng thái thoát hơi ra khỏi thiết bị làm mát)

+ Điểm 4: Từ 3 kẻ đường thằng h3 = h4 = const Điểm cắt của p4 = p1 và đường h4 chính là điểm 4 (Trạng thái thoát hơi ẩm của môi chất sau khi qua van tiết lưu)

Bước 2: Xây dựng đồ thị từ các điểm nút của chu trình thu được từ bước 1

Bước 3: Lập bảng thông số các điểm nút của chu trình

Bước 4: Tính toán các thông số nhiệt động học của chu trình, bao gồm công nén đoạn nhiệt, công suất nhiệt, năng suất lạnh và hệ số COP, để đánh giá hiệu suất hoạt động của hệ thống.

Bước 5: Từ năng suất lạnh đã có ta suy ra mật độ dòng nhiệt q

Bước 6: Sử dụng các thông số đã xác định, ta tính toán độ chênh nhiệt độ trung bình logarit của hệ thống Kết hợp với mật độ dòng nhiệt q đã được tính toán trước đó, ta sẽ xác định được hệ số truyền nhiệt k.

Bước 7: Khi có k và một vài dữ liệu khác từ nguồn tham khảo sẽ tìm ra được hệ số tỏa nhiệt đối lưu của CO2

Dựa trên các thông số thu được từ quá trình chạy thực nghiệm, đồ thị lgp – h của CO2 đã được xây dựng cho trường hợp Pk = 75 bar, sử dụng các điểm nút từ bảng 4.3 và đồ thị minh họa trong hình 4.2 dưới đây.

Bảng 4.3: Điểm nút quá trình P k = 75 bar

Hình 4.2: Đồ thị lgp – h của quá trình thực nghiệm khi P k = 75 bar

Các điểm nút của các trạng thái Pk từ 76 đến 80 bar được trình bày trong bảng 4.4, trong đó hiển thị các giá trị nhiệt độ và áp suất tương ứng cho từng điểm nút tại các giá trị áp suất đầu vào Pk.

Bảng 4.4: Thông số các điểm nút

Dựa vào các đồ thị và bảng tra thông số, chúng ta có thể tính toán các giá trị nhiệt động như Entalpy và Entropy tại các điểm nút chính trong từng chu trình Bảng 4.5 dưới đây trình bày chi tiết các giá trị này.

Bảng 4.5: Thông số nhiệt động các điểm nút chính

Lưu lượng môi chất chạy qua máy nén theo phần mềm “Dorin Software”

Công nén đoạn nhiệt để nén G kg môi chất lạnh từ trạng thái (1) đến trạng thái (2):

Năng suất giải nhiệt cho G kg môi chất lạnh tại thiết bị làm mát::

Năng suất lạnh của G kg môi chất lạnh tại thiết bị bay hơi:

Hệ số COP của chu trình lạnh:

Với quá trình tính toán tương tự ta thu được các nhiệt động hiển thị trong bảng 4.6:

Bảng 4.6: Bảng giá trị năng suất lạnh và COP của các trường hợp

Pk (bar) G (kg/s) N (kW) Qk (kW) Q0 (kW) COP

Bảng số liệu cho thấy mối quan hệ giữa áp suất đầu đẩy và chỉ số COP Khi áp suất đầu đẩy tăng từ 75 đến 78 bar, COP của chu trình tăng từ 4,44 lên 5,15, đạt giá trị cao nhất tại 78 bar Tuy nhiên, khi áp suất tiếp tục tăng từ 78 lên 80 bar, COP có xu hướng giảm xuống còn 4,81 tại 79 bar và 4,69 tại 80 bar Sự gia tăng COP ở giai đoạn đầu có thể được giải thích bởi việc tăng áp suất đầu đẩy làm tăng Qo và N, trong đó mức tăng của Qo lớn hơn mức tăng của công nén N, dẫn đến chỉ số COP tăng lên Hình 4.3 minh họa rõ điều này.

Theo tài liệu tham khảo [30], ta có diện tích trao đổi nhiệt F của thiết bị bay hơi kênh mini là 2,5 m 2 Bên cạnh đó, ta có: q =Q o

F = k ∆t̅̅̅̅̅ (W/m ft 2 ) Trong đó: q – mật độ dòng nhiệt (W/m 2 )

F – diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi kênh mini, với F = 2,5 m 2

∆t ft ̅̅̅̅̅ – độ chênh nhiệt độ trung bình logarit trong trao đổi nhiệt phức tạp Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit

∆t̅̅̅̅̅ = ε ft ∆t ∆t̅̅̅̅̅̅ ng Trong đó: ε ∆t – hệ số hiệu chỉnh, là hàm của thông số P và R, ε ∆t = f(P, R)

∆t ng ̅̅̅̅̅̅ – độ chênh nhiệt độ trung bình logarit khi lưu chất trao đổi nhiệt ngược chiều

Hình 4.3: Sự ảnh hưởng của áp suất P k và P o đến chỉ số COP

∆t ng ̅̅̅̅̅̅ =∆t max − ∆t min ln∆t max

Nhiệt độ không khí vào dàn lạnh được ký hiệu là t1’, trong khi nhiệt độ không khí ra dàn lạnh là t1” Nhiệt độ môi chất vào dàn lạnh được gọi là t2’, và nhiệt độ môi chất ra dàn lạnh được ký hiệu là t2”.

Công thức tính hệ số truyền nhiệt của chu trình: k = 1

Trong đó: αair – hệ số tỏa nhiệt đối lưu của không khí δ – độ dày của phần vách nhôm trao đổi nhiệt

Hình 4.4: Sơ đồ trao đổi nhiệt lưu động của không khí và CO 2

37 λAl – hệ số dẫn nhiệt của nhôm δ CO 2 – hệ số tỏa nhiệt đối lưu của CO2

Từ nguồn tài liệu [28], ta chọn αair = 106 W/m 2 K

Dàn bay hơi kênh mini có chiều dày 400 μm (0,4 mm) được chế tạo từ nhôm với hệ số dẫn nhiệt λAl là 237 W/mK, theo tài liệu tham khảo [28] và [33] Sau khi thay các đại lượng vào công thức, kết quả nhận được là k = 1.

Dựa trên các giá trị Qo đã tính toán, chúng ta xác định được các giá trị mật độ dòng nhiệt q Bảng 4.7 dưới đây trình bày các giá trị mật độ dòng nhiệt tương ứng với các giá trị Pk trong khoảng từ 75.

Bảng 4.7: Các kết quả mật độ dòng nhiệt thu được sau tính toán

Tiến hành tính toán ở P k = 75 bar làm phép tính điển hình;

Từ thực nghiệm, chọn thông số ở mốc Pk = 75 bar với các giá trị nhiệt độ cần thiết để tính toán, ta có các thông số ở bảng 4.7 sau

Bảng 4.8: Thông số nhiệt độ của không khí và môi chất CO 2 khi P k = 75 bar

Từ bảng số liệu và sơ đồ hình trên, suy ra:

∆t ng ̅̅̅̅̅̅ =∆t max − ∆t min ln∆t max

= 8,528 Để tìm ε∆t ta cẩn tính giá trị P và R

𝑅 = 1,913 → Tra đồ thị hình 14.11, tài liệu [30], trang 390, tìm được ε∆t = 0,94

Tiến hành tính toán với các thông số đã có, chúng tôi thu được kết quả về độ chênh nhiệt độ trung bình logarit, hệ số trao đổi nhiệt phức tạp và độ chênh nhiệt độ trung bình logarit trong quá trình trao đổi nhiệt phức tạp Các giá trị này được trình bày trong Bảng 4.9 dưới đây.

Bảng 4.9: Các giá trị về độ chênh nhiệt độ ở các trạng thái còn lại

Giá trị α CO2 ở các điều kiện Pk được tính toán tương tự như trước, với kết quả đạt được là 18222,8 (W/m² K) Bảng 4.10 trình bày các giá trị α CO2 tương ứng với các trạng thái Pk còn lại.

Bảng 4.10: Các giá trị 𝜶 𝑪𝑶 𝟐 thu được sau tính toán thu được ở các trạng thái P k

Trường độ ẩm

Nhóm chúng em sẽ thu thập dữ liệu từ ba nguồn khác nhau: máy điều hòa Reetech (Series: RT9 – BD) với công suất lạnh 9000 Btu/h, và hai hệ thống lạnh sử dụng môi chất CO2 với thiết bị bay hơi kênh mini, hoạt động ở chế độ van tiết lưu 1 và 2 Mục tiêu của nhóm là xử lý dữ liệu thực nghiệm từ ba nguồn này, sau đó so sánh kết quả và đưa ra nhận xét.

• Thông số thực nghiệm thu được

Kết quả thực nghiệm được thu thập từ ngày 4/3/2019 đến ngày 25/4/2019, với những số liệu điển hình từ dàn lạnh Reetech và thiết bị bay hơi kênh mini ở chế độ VTL 1 được trình bày trong bảng 4.19 và 4.20 Ngoài ra, khi vận hành ở chế độ VTL 2, kết quả thực nghiệm được ghi nhận từ ngày 9/7/2019 đến ngày 12/7/2019.

Bảng 4.19: Thông số thực nghiệm về nhiệt độ không khí trước và sau dàn lạnh Reetech RT9 - BD

Bảng 4.20: Thông số thực nghiệm về nhiệt độ của không khí đi qua thiết bị bay hơi kênh mini dùng van tiết lưu 1

Thiết bị bay hơi kênh mini

Bảng 4.21: Thông số thực nghiệm về nhiệt độ của không khí đi qua thiết bị bay hơi kênh mini dùng van tiết lưu 2

Thiết bị bay hơi kênh mini

Lượng nước ngưng sau 1 giờ thực nghiệm lấy số liệu ở dàn lạnh Reetech là 1,25 lít/h ở điều kiện nhiệt độ phòng là 29 o C, RH% = 80%

Khi sử dụng thiết bị bay hơi kênh mini, van tiết lưu 1 cho ra lượng nước ngưng thu được là 530 ml/h (0,53 lít/h) ở nhiệt độ phòng 29,6°C và độ ẩm tương đối 83% Trong khi đó, van tiết lưu 2 ở nhiệt độ phòng 29,9°C và độ ẩm tương đối 77% thu được 0,5 lít/h nước ngưng.

Lượng nhiệt ẩn mà các dàn lạnh Reetech và thiết bị bay hơi kênh mini phải cấp cho quá trình ngưng tụ của hơi nước trong không khí

Ql(mini,vtl1) = V 2 x ρ nước x h fg =0,53 x 10 −3

Ql(mini,vtl2) = V 2 x ρ nước x h fg =0,5 x 10 −3

3600 x 998,5 x 2501 = 0,3468 (kW) Nhiệt hiện của không khí khi đi qua dàn:

Tiến hành tính Dàn lạnh Reetech (Model RT9 – BD) có lưu lượng không khí thổi theo catalogue nhà sản xuất là 5,1 m 3 /phút = 0,085 m 3 /s

Thiết bị bay hơi kênh mini có diện tích miệng gió là 0,05027 m² và vận tốc gió đạt 3 m/s Do đó, lưu lượng thể tích không khí đi qua thiết bị này được tính toán là 0,1508 m³/s.

Khối lượng riêng của không khí ρkk = 1,2 kg/m 3 Chọn trường hợp đầu tiên phía dàn lạnh Reetech để làm phép tính toán nhiệt hiện điển hình

Lưu lượng khối lượng không khí đi qua dàn lạnh Reetech m = m v,Reetech x ρ kk = 0,085 x 1,2 = 0,102 (kg/s) Nhiệt hiện trao đổi giữa dàn và không khí:

Nhiệt lượng trao đổi giữa dàn và không khí được tính theo công thức Q S = m s x C pm x (t 1 − t 2 ), với m s = 0,102 kg, C pm = 1,021 kJ/kg.K, và sự chênh lệch nhiệt độ giữa t 1 = 29°C và t 2 = 16,4°C Kết quả tính toán cho thấy Q S = 1,3122 kW Trong suốt quá trình thực nghiệm, sự thay đổi của nhiệt ẩn được xem là không đáng kể.

Tiến hành các phép tính tương tự cho các trường hợp còn lại với ba nguồn là dàn lạnh Reetech và thiết bị bay hơi kênh mini hoạt động ở hai chế độ, chúng tôi đã thu được kết quả tính toán, được trình bày trong bảng 4.22, 4.23 và 4.24.

Bảng 4.22: Các giá trị nhiệt ẩn, nhiệt hiện và nhiệt tổng sau tính toán phía dàn lạnh Reetech

Bảng 4.23 : Các giá trị nhiệt ẩn, nhiệt hiện và nhiệt tổng sau tính toán phía thiết bị bay hơi kênh mini khi dùng van tiết lưu 1

Thiết bị bay hơi kênh mini

Bảng 4.24 : Các giá trị nhiệt ẩn, nhiệt hiện và nhiệt tổng sau tính toán phía thiết bị bay hơi kênh mini khi dùng van tiết lưu 2

Thiết bị bay hơi kênh mini

Theo bảng giá trị 4.11 ở dàn lạnh Reetech, nhiệt ẩn được xem là không đổi trong quá trình thực nghiệm, do đó sự thay đổi của nhiệt hiện tương ứng với sự thay đổi của độ chênh nhiệt độ không khí Năng suất lạnh tổng cho thấy nhiệt ẩn chiếm khoảng 37,6% - 39,8%, trong khi nhiệt hiện chiếm khoảng 60,2% - 62,4% Hình 4.11 dưới đây minh họa sự thay đổi này.

Hình 4.11: Sự thay đổi ∆t và nhiệt hiện phía dàn lạnh Reetech

Trong thiết bị bay hơi kênh mini với chế độ van tiết lưu 1, nhiệt ẩn chiếm khoảng 17% - 18,1% và nhiệt hiện chiếm khoảng 81,9% - 83% tổng năng suất lạnh Trong quá trình đo thực nghiệm, nhiệt ẩn không thay đổi, do đó sự chênh lệch nhiệt độ không khí trước và sau dàn lạnh ảnh hưởng đến nhiệt hiện của không khí qua dàn lạnh mini, điều này được thể hiện rõ trong hình 4.12.

Trong thiết bị bay hơi kênh mini ở chế độ van tiết lưu 2, nhiệt ẩn chiếm khoảng 16% - 16,6%, trong khi nhiệt hiện chiếm khoảng 83,4% - 84% so với tổng năng suất lạnh, như được thể hiện trong hình 4.13.

Hình 4.12: : Sự thay đổi ∆t và nhiệt hiện phía thiết bị bay hơi kênh mini khi dùng VTL 1

Dàn lạnh Reetech có năng suất lạnh tổng phía không khí cao nhất, tiếp theo là thiết bị bay hơi kênh mini ở chế độ VTL 2, và cuối cùng là ở chế độ VTL 1, như thể hiện trong hình 4.14.

Hình 4.14 trình bày sự so sánh năng suất lạnh tổng từ ba nguồn dữ liệu khác nhau, trong khi Hình 4.13 thể hiện sự thay đổi ∆t và nhiệt độ hiện tại ở thiết bị bay hơi kênh mini khi sử dụng VTL 2.

Sự khác biệt về nhiệt ẩn được thể hiện qua lượng nước ngưng thu được từ ba nguồn dữ liệu Cụ thể, dàn lạnh Reetech thu được 1,25 lít nước ngưng trong 1 giờ, trong khi thiết bị bay hơi kênh mini ở chế độ VTL 1 và VTL 2 chỉ thu được lần lượt 0,53 lít và 0,5 lít nước ngưng Hình 4.15 minh họa sự khác biệt này một cách rõ ràng.

Dựa trên dữ liệu về năng suất lạnh tổng của ba nguồn, chỉ số COP của các hệ thống lạnh cho thấy hệ thống lạnh CO2 vận hành ở chế độ VTL 2 có chỉ số COP cao hơn so với chế độ VTL 1, với giá trị dao động từ 4,26 đến 4,37 Trong khi đó, dàn lạnh Reetech có chỉ số COP thấp nhất, dao động từ 2,93 đến 3,09, như được minh họa trong hình 4.16.

Hình 4.15: So sánh lượng nhiệt ẩn của ba nguồn dữ liệu

Hình 4.16: So sánh chỉ số COP của ba nguồn dữ liệu