Nghiên cứu thực nghiệm xác định năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí CO2

TỔNG QUAN

Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, luật môi trường và các chính sách nghiêm ngặt đã cách mạng hóa lĩnh vực điện lạnh tại Việt Nam, đặc biệt là trong việc sử dụng các môi chất làm lạnh an toàn cho môi trường Một trong những thách thức quan trọng là giảm thiểu khí thải gây nóng lên toàn cầu và suy giảm tầng ozone.

Các nhà khoa học đã xác định rằng chỉ có môi chất làm lạnh tự nhiên là an toàn cho môi trường, trong đó carbon dioxide (R744) được coi là tốt nhất Mặc dù R744 giúp giảm thiểu ảnh hưởng trực tiếp đến khí thải, nhưng vẫn cần nghiên cứu thêm về các tác động gián tiếp của hệ thống làm lạnh này.

Trước đây, các hệ thống lạnh chủ yếu sử dụng môi chất lạnh như HFC, CFC và HCFC, nhưng hiện nay, những chất này đã được thay thế bằng các loại môi chất mới thân thiện với môi trường, có đặc tính nhiệt động, hóa học và vật lý tốt, giá thành rẻ và dễ chế tạo Môi chất lạnh CO2 đang được nghiên cứu nhờ vào chỉ số phá hủy tầng ozone bằng 0 và chỉ số làm nóng toàn cầu thấp Tuy nhiên, CO2 gặp khó khăn về chi phí lắp đặt và vận hành cao, cùng với hiệu suất năng lượng kém, đặc biệt ở vùng khí hậu ấm áp Điểm khác biệt lớn nhất của CO2 là yêu cầu về áp suất cao và nhiệt độ thấp, do đó cần thiết kế hệ thống đặc biệt để phù hợp với loại môi chất này.

Mặc dù CO2 là một môi chất thân thiện với con người, nhưng nó vẫn có những hạn chế nhất định Vì vậy, việc thực nghiệm để xác định năng suất làm lạnh của CO2 là cần thiết nhằm phát triển một môi chất lạnh thân thiện với môi trường Điều này đã thúc đẩy nhóm nghiên cứu chọn đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm năng suất lạnh hệ thống điều hòa không khí”.

Tổng hợp các nghiên cứu liên quan

Vấn đề về môi chất lạnh CO2 đang được nghiên cứu tích cực không chỉ ở Việt Nam mà còn trên toàn thế giới, nhằm phát triển một giải pháp hiệu quả và tiết kiệm năng lượng Dưới đây là tổng hợp các công trình nghiên cứu liên quan đến chủ đề này.

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Lee và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về hệ thống điều hòa không khí CO2 sử dụng van tiết lưu Ejector Kết quả thí nghiệm cho thấy hệ thống này có hiệu suất cao hơn so với hệ thống thông thường khi so sánh với nhiệt độ ngoài trời và tần số biến tần khác nhau Các chỉ số COP của hệ thống điều hòa không khí sử dụng Ejector được tính toán và so sánh dựa trên áp suất và nhiệt độ thử nghiệm Cụ thể, công suất lạnh và COP của hệ thống Ejector cao hơn so với hệ thống thông thường, với tỷ số hút lớn hơn 0,76 Thêm vào đó, trong các điều kiện thử nghiệm khác, hiệu suất của hệ thống Ejector cũng vượt trội hơn so với hệ thống thông thường theo tỷ lệ nhất định.

Liu và các cộng sự đã phát triển mô hình phân tích cho máy điều hòa không khí CO2 sử dụng Ejector tiết lưu với công suất 3 tấn lạnh Nghiên cứu cho thấy hệ số làm lạnh (COP) và công suất lạnh đạt tối đa khi đường kính Ejector là 2,8 mm, trong khi COP và công suất lạnh tối ưu xảy ra khi đường kính phần hòa trộn nằm trong khoảng 4,1 đến 4,2 mm Hệ thống CO2 Ejector tiết lưu cho thấy hiệu suất vượt trội so với hệ thống thông thường, với COP và công suất lạnh cao hơn lần lượt khoảng 30,7% và 32,1% ở nhiệt độ ngoài trời 37,8°C Việc lựa chọn kích thước van tiết lưu, bao gồm đường kính cổ phun và đường kính phần hòa trộn, là yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu suất của hệ thống điều hòa không khí CO2 Ejector tiết lưu.

Rozhentsev và các cộng sự đã phân tích chu trình của hệ thống điều hòa không khí CO2, cho thấy rằng ảnh hưởng của quá nhiệt bên trong đến hệ số hiệu suất làm lạnh (COP) là rất nhỏ đối với hệ thống sử dụng máy nén nửa kín Tuy nhiên, hiệu suất của máy nén lại có tác động đáng kể đến COP của hệ thống Do đó, thiết kế bộ thu hồi nhiệt trong hệ thống là rất quan trọng, vì COP có thể giảm khi kích thước bộ thu hồi nhiệt vượt quá một mức nhất định.

Tao cùng cộng sự [4] vận hành thử nghiệm cho hệ thống điều hòa không khí dân dụng

Nghiên cứu về ảnh hưởng của điều kiện làm việc lên hệ số hiệu suất (COP) của hệ thống với bộ trao đổi nhiệt bên trong cho thấy rằng các thông số đầu vào của thiết bị bay hơi ít tác động đến COP, với phạm vi tăng thấp hơn 6% và 4% ở các vùng nhiệt độ khác nhau Tuy nhiên, nhiệt độ khí vào của bộ làm mát và nhiệt độ bay hơi lại là những yếu tố chính ảnh hưởng đến COP, với COP giảm khoảng 20% khi nhiệt độ khí vào tăng từ 32,5°C lên 37°C, và tăng 27% khi tốc độ khí vào tăng từ 0,68 m/s lên 1,8 m/s Dữ liệu thực nghiệm cho thấy tổn thất điều tiết có ảnh hưởng lớn đến COP, mặc dù bộ trao đổi nhiệt có thể giảm tổn thất này, nhưng vẫn có sự mất công suất làm mát 5% trong quá trình tiết lưu, dẫn đến tổng tổn thất khoảng 20% Hiệu suất làm mát của bộ làm mát khí càng tốt thì tổn thất điều tiết càng nhỏ, và tổn thất điều tiết giảm khi nhiệt độ bay hơi tăng.

Azzouzi và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình quá lạnh trong dàn ngưng tụ giải nhiệt bằng không khí đối lưu tự nhiên với cánh tản nhiệt bằng thép đến hệ thống điều hòa không khí Nghiên cứu chỉ ra các tham số của chu trình quá lạnh ảnh hưởng đến hệ số COP khi sử dụng các môi chất R134a, R12 và R600a tại các tỷ số áp suất khác nhau Kết quả cho thấy hệ số COP tăng lên cùng với độ quá lạnh cho cả ba loại chất làm lạnh Đặc biệt, khi nhiệt độ quá lạnh từ 0°C đến 8°C, R600a cho thấy hệ số COP vượt trội và yêu cầu ít bề mặt ngưng tụ phụ hơn so với R134a Do đó, để tối ưu hóa hiệu quả kinh tế trong việc tạo ra nguồn lạnh, việc thay thế R134a bằng R600a là cần thiết.

Nghiên cứu của Kim cùng các cộng sự đã chỉ ra ảnh hưởng của các thông số vận hành đến hiệu suất làm lạnh của hệ thống điều hòa không khí ô tô sử dụng CO2 chuyển tới hạn Các điều kiện thử nghiệm cho hệ thống CO2 và các thành phần như gas làm lạnh và thiết bị bay hơi đã được so sánh với hiệu suất tiêu chuẩn Kết quả cho thấy công suất làm mát đạt hơn 4,9 kW và hệ số hiệu quả năng lượng (COP) vượt 2,4 ở áp suất đầu vào không tải Trong điều kiện lái xe, công suất làm mát khoảng 7,5 kW và COP xấp xỉ 1,7 tại áp suất tối ưu, với nhiệt độ khí vào của bộ làm mát và thiết bị bay hơi lần lượt là 45°C và 35°C Kết luận cho thấy hệ thống điều hòa không khí ô tô sử dụng môi chất CO2 có hiệu suất đáng kể trong các điều kiện vận hành khác nhau.

CO2 có hiệu suất cao trong quá trình sử dụng Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển thuật toán điều khiển áp suất cao tối ưu cho chu trình CO2, nhằm đạt được hệ số hiệu suất (COP) tối đa.

Hazarakia cùng các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu hiệu suất của hệ thống điều hòa không khí sử dụng R744, trong đó phát triển mô phỏng số chi tiết và thiết bị nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu xác định mô hình lý thuyết và thực hiện các mô phỏng để phân tích ảnh hưởng của việc nạp thêm môi chất lạnh, nhiệt độ môi trường và vận tốc bề mặt làm lạnh đến hiệu suất hệ thống Kết quả cho thấy lượng gas nạp tối ưu cung cấp COP tối đa, với sự thay đổi trong COP dao động ± 18% so với giá trị tối ưu Tuy nhiên, COP giảm đáng kể khi lượng gas nạp thay đổi hơn ± 18% Cụ thể, với mỗi lần tăng nhiệt độ môi trường 10K, COP giảm khoảng 24%, và khi giảm tốc độ bề mặt làm lạnh không khí xuống 60%, COP giảm 17% Đặc biệt, nếu giảm vận tốc bề mặt vượt quá 60%, COP giảm mạnh kèm theo áp suất xả tăng nhanh.

Nghiên cứu của Pottker và các cộng sự đã chỉ ra rằng quá trình quá lạnh ảnh hưởng đến hiệu suất của các loại môi chất lạnh R134a và R1234yf trong hệ thống có và không có bộ trao đổi nhiệt bên trong (IHE) Kết quả cho thấy COP đạt tối đa nhờ sự cân bằng giữa hiệu quả làm lạnh tăng do giảm nhiệt độ thoát ra của bình ngưng và công nén riêng tăng do áp suất ngưng tụ gia tăng Đặc biệt, R1234yf có lợi hơn R134a trong việc cải thiện COP nhờ khả năng ngưng tụ quá lạnh tốt hơn Hơn nữa, nghiên cứu cũng khẳng định rằng các chất làm lạnh có nhiệt ẩn hóa hơi lớn sẽ không đạt hiệu quả cao khi quá lạnh Các thí nghiệm cho thấy sự hiện diện của bộ trao đổi nhiệt bên trong làm giảm đáng kể mức tăng COP do quá lạnh, với cải thiện COP tối đa là 18% cho hệ thống không có IHE so với 9% cho hệ thống có IHE Do đó, bộ trao đổi nhiệt bên trong có thể làm giảm nhẹ tác động của quá lạnh dàn ngưng.

Chesi cùng các cộng sự đã nghiên cứu việc sửa đổi chu kỳ cho ứng dụng R744 nhằm nâng cao hiệu suất chu trình CO2 Họ sử dụng chu trình nén 2 cấp và thực hiện các thử nghiệm để xác định các tham số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất Các yếu tố ảnh hưởng đáng kể bao gồm hiệu suất thể tích và năng lượng của máy nén, công suất làm mát và hệ số hiệu suất (COP) của chu trình 1 cấp và 2 cấp, cũng như công suất nhiệt và hiệu quả phân tách thực tế Dữ liệu thu được cho thấy các yếu tố bất lợi như tổn thất áp suất dọc theo đường dây hệ thống, đặc biệt là mất áp suất đường hút, làm tăng công hấp thụ của máy nén Ngoài ra, tổn thất trong dòng và bên trong bộ làm mát khí có thể dẫn đến giảm hiệu suất nếu nhiệt độ đầu ra và áp suất xả gần với các giá trị mà các đường đẳng nhiệt trên đồ thị log p-h gần như nằm ngang Cuối cùng, quá nhiệt dọc theo đường hút của cả hai máy nén cũng góp phần vào tổn thất hiệu suất, làm tăng công suất máy nén hấp thụ do xu hướng biến đổi đẳng hướng của các đường ít dốc hơn khi nhiệt độ tăng.

Nghiên cứu của Yang và Yeh [10] đã chỉ ra rằng, ảnh hưởng của nhiệt độ quá lạnh đến hiệu quả hoạt động của hệ thống lạnh có thể gây ra sự tàn phá exergy, làm giảm hiệu suất làm việc của hệ thống.

Độ lạnh tối ưu cho hệ thống làm lạnh nén hơi nên duy trì trong khoảng 2°C đến 6°C để tiết kiệm chi phí ban đầu, trong khi đó, để giảm thiểu tổng số sự phá hủy exergy, mức độ lạnh lý tưởng cho các chất lạnh như R134a, R22, R410A và R717 là từ 4°C đến 7°C.

Giảm nhiệt độ bốc hơi và tăng nhiệt độ ngưng tụ sẽ làm tăng giá trị cực đại của γ Mức độ quá lạnh tối ưu cho γ cực đại bị ảnh hưởng mạnh bởi nhiệt độ ngưng tụ, trong khi đó lại gần như không phụ thuộc vào nhiệt độ bốc hơi.

Nhiệt độ thấp của nước làm mát trong bình ngưng có khả năng cải thiện hiệu quả hoạt động và truyền nhiệt, đồng thời giảm thiểu sự phá huỷ exergy Điều này giúp mở rộng mức độ tối ưu cho quá trình quá lạnh trong hệ thống làm lạnh nén khí.

Mục tiêu của đề tài

- Xác định được các thông số nhiệt động của hệ thống điều hòa không khí CO2

- Xác định được sự thay đổi năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí CO2

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp tổng quan tài liệu được thực hiện thông qua việc phân tích các bài báo nghiên cứu khoa học, luận văn tốt nghiệp và các tài liệu liên quan đến môi chất lạnh CO2 Phương pháp này giúp xác định rõ mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, từ đó cung cấp cái nhìn tổng quát về tình hình nghiên cứu hiện tại trong lĩnh vực này.

Phương pháp lý thuyết: tính toán và sử dụng phần mềm thiết kế hỗ trợ

Phương pháp thực nghiệm: so sánh, đối chiếu với kết quả thực tế.

Giới hạn đề tài

Thiết bị ngưng tụ sử dụng nước và không khí, cùng với dàn lạnh mini sử dụng ống dẹp, sở hữu các kênh mini với năng suất lạnh khoảng 4000W, phù hợp với điều kiện nhiệt độ môi trường.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ sở thực nghiệm

Thực nghiệm là quá trình nghiên cứu khoa học nghiêm ngặt, bao gồm giả thuyết và các biến có thể thao tác và đo lường trong môi trường kiểm soát Mục tiêu của nghiên cứu thực nghiệm là thu thập dữ liệu nhằm hỗ trợ hoặc bác bỏ giả thuyết, và phương pháp này thường được sử dụng để kiểm tra giả thuyết hoặc trong nghiên cứu suy diễn.

Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định mối quan hệ giữa biến phụ thuộc và biến độc lập Sau khi hoàn tất nghiên cứu, sẽ có kết luận về việc liệu có sự tương quan giữa một khía cạnh cụ thể của thực thể và biến đang được nghiên cứu hay không.

Cơ sở truyền nhiệt

Sự truyền nhiệt xảy ra từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp hơn, và có thể xác định thông qua chênh lệch nhiệt độ trong hệ thống, tức là dòng nhiệt sẽ hình thành khi tồn tại gradien nhiệt độ Quá trình này làm thay đổi năng lượng bên trong của cả hai hệ thống theo Định luật nhiệt động lực thứ nhất Các kỹ sư cũng xem xét việc chuyển khối lượng của các loại hóa chất khác nhau, lạnh hoặc nóng, để đạt được hiệu quả truyền nhiệt Mặc dù các cơ chế này có đặc điểm riêng, nhưng chúng thường xảy ra đồng thời trong cùng một hệ thống.

Nghiên cứu sự phân bố nhiệt độ trong hệ thống là yếu tố quan trọng trong truyền nhiệt, ảnh hưởng đến thiết kế và kiểm tra Hiểu rõ quy luật trao đổi nhiệt giúp chúng ta điều chỉnh mức độ trao đổi nhiệt giữa các vật theo yêu cầu thực tế Trong lĩnh vực truyền nhiệt, chúng ta áp dụng định luật thứ nhất để xác định cân bằng năng lượng và định luật thứ hai để xác định hướng truyền nhiệt Truyền nhiệt là chuyên môn kỹ thuật liên quan đến việc tạo ra, sử dụng, chuyển đổi và trao đổi năng lượng nhiệt giữa các hệ thống vật lý, được phân loại thành các cơ chế như dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt, bức xạ nhiệt và truyền năng lượng qua thay đổi pha.

Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt năng từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp thông qua động năng hoặc va chạm giữa các phần tử và nguyên tử Độ dẫn nhiệt, ký hiệu là 𝜆 hoặc k, thể hiện khả năng của vật liệu trong việc dẫn nhiệt Quá trình này có thể được định lượng bằng các phương trình tỷ lệ phù hợp, trong đó phương trình tốc độ dựa trên định luật dẫn nhiệt của Fourier.

Dẫn nhiệt là khái niệm chỉ lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích trong một khoảng thời gian nhất định, thông qua một tấm vật liệu có độ dày xác định, với sự chênh lệch nhiệt độ giữa các mặt của tấm.

2.2.2 Trao đổi nhiệt đối lưu

Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình truyền nhiệt giữa chất lỏng và bề mặt vật rắn, diễn ra thông qua sự chuyển động của chất lỏng Đối lưu, thường được gọi là truyền nhiệt đối lưu, là hình thức chủ yếu của truyền nhiệt trong các chất lỏng và khí Sự chênh lệch mật độ trong chất lỏng tạo ra các chuyển động, hình thành dòng đối lưu, giúp mang đi nhiệt lượng hiệu quả.

Đối lưu được chia thành hai loại chính: đối lưu tự nhiên, là dòng vật chất chuyển động nhờ vào nội năng trong chất lỏng hoặc khí, như hiện tượng trong ống khói; và đối lưu cưỡng bức, là dòng chuyển động do tác động của ngoại lực, ví dụ như quạt hoặc bơm.

2.2.3 Trao đổi nhiệt bức xạ

Truyền nhiệt bức xạ là hình thức liên quan đến việc trao đổi năng lượng bức xạ giữa

Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ diễn ra qua hai giai đoạn Trong giai đoạn đầu, nhiệt năng của vật thể thứ nhất chuyển hóa thành sóng điện từ và được bức xạ ra không gian Ở giai đoạn tiếp theo, các sóng điện từ này tiếp xúc với vật thể thứ hai, bị hấp thụ và chuyển đổi thành nhiệt năng, trong khi một phần bị phản xạ và một phần khác có thể xuyên qua vật thể.

Khác với dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt đối lưu, trao đổi nhiệt bức xạ không yêu cầu bề mặt tiếp xúc giữa hai vật thể Điều đặc biệt là, quá trình trao đổi nhiệt bức xạ vẫn có thể diễn ra ngay cả trong môi trường chân không.

Giới thiệu chung về môi chất lạnh CO 2

Carbon dioxide (CO2) là một khí trong suốt, không có mùi đặc biệt khi nồng độ dưới mức nghẹt thở, chiếm khoảng 0,04% không khí trong khí quyển, tương đương với 380 phần triệu (ppm) Trong khi đó, không khí thở ra từ cơ thể chứa CO2 với nồng độ khoảng 4%.

Theo sơ đồ vùng chuyển pha, nhiệt độ tới hạn của R744 được xác định là 31,1°C Nhiệt độ tới hạn thấp khiến R744 không thể hoạt động hiệu quả trong chu trình làm lạnh dưới tới hạn, do thiết bị ngưng tụ không thể truyền nhiệt trên mức nhiệt này Hệ quả là hiệu suất của thiết bị ngưng tụ giảm và có thể dẫn đến nhiều tổn thất Thêm vào đó, khi nhiệt độ gần tới hạn nhưng vẫn thấp hơn, entanpy hóa hơi giảm mạnh, gây ảnh hưởng tiêu cực đến công suất sưởi và hiệu suất toàn hệ thống.

Hình 2.1 Sơ đồ vùng chuyển pha R744

Vùng 3: CO2 ở trạng thái siêu tới hạn (supercritical fluid) khi cả nhiệt độ và áp suất bằng hoặc lớn hơn điểm tới hạn 31 o C và 73,8 bar Trong trạng thái này, CO2 có cả hai tính chất của chất khí và chất lỏng

Sơ đồ vùng chuyển pha không bị giới hạn bởi nhiệt độ tới hạn do nhiệt lượng tỏa ra thông qua sự trượt nhiệt độ Trong chu trình chuyển pha, thiết bị ngưng tụ được thay thế bằng thiết bị làm mát khí, vì không có quá trình ngưng tụ mà chỉ có quá trình làm mát khí Lợi thế của lướt nhiệt độ này rất rõ ràng trong các ứng dụng như sưởi ấm nước và không khí, đặc biệt là trong quy trình sấy khô nhờ vào hiệu quả cao R744 có phạm vi nhiệt độ hoạt động chuyển hóa rộng nhất, từ -50°C đến 120°C, so với các chất làm lạnh khác Tuy nhiên, nhược điểm duy nhất của chu kỳ chuyển tiếp với R744 là áp suất cao, với áp suất tới hạn đạt 73,7 bar.

Khi R744 được vận hành qua chu kỳ chuyển pha, áp suất cao của nó đạt trên 73,7 bar, yêu cầu thiết kế thiết bị có khả năng xử lý áp lực này Mặc dù áp suất cao mang lại lợi ích như thiết bị nhỏ gọn, nhưng cũng đi kèm với nhược điểm như chi phí cao và vấn đề an toàn Tuy nhiên, nhờ vào những tiến bộ công nghệ hiện nay, áp lực này không còn là mối lo ngại lớn.

2.3.2 Ưu, nhược điểm của CO 2

 Có sẵn ở khắp mọi nơi, không phụ thuộc vào nguồn cung cấp đặc quyền nào, giá thành sản xuất thấp, không yêu cầu tái chế

 Tính chất vật lý của CO2 được đánh giá cao thuận lợi cho việc làm mát, có năng suất lạnh riêng cao

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

Độ chênh áp thấp trong đường ống làm việc và thiết bị trao đổi nhiệt có thể ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động Một ví dụ điển hình là sự tác động của đường ống hút dài và đường ống lỏng rất nhỏ, dẫn đến sự giảm hiệu quả trong quá trình trao đổi nhiệt.

 Ít độc và không bắt lửa

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

 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.

Ứng dụng của CO 2 trong công nghiệp lạnh

R744 đã trở thành tâm điểm nghiên cứu trong lĩnh vực điều hòa không khí do nhu cầu cao và yêu cầu tìm kiếm các lựa chọn thay thế HFC Mỗi năm, thị trường máy lạnh dân dụng ghi nhận hơn 40 triệu bộ được tiêu thụ, vượt xa dự kiến Mối quan tâm về môi trường hiện nay chủ yếu tập trung vào tác động gián tiếp từ khí thải năng lượng, thay vì tác động trực tiếp từ rò rỉ chất làm lạnh Vì vậy, hiệu quả năng lượng là vấn đề quan trọng hàng đầu Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng R744 trong hệ thống điều hòa không khí mang lại kết quả hứa hẹn, với các thiết bị sử dụng chất làm lạnh một chiều hoạt động đáng tin cậy và hiệu quả hơn so với máy lạnh hai chiều.

Công thức tính toán liên quan

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

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

 là 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  được giữ cố định, trong khi vận tốc gió thay đổi Do đó, việc điều chỉnh lưu lượng có thể được coi là tương đương với việc thay đổi vận tốc gió trong suốt thí nghiệm.

Công thức nhiệt động học:

Năng suất giải nhiệt tại thiết bị ngưng tụ: Q2-3= G.(i2 – i3)

Năng suất lạnh tại thiết bị bay hơi: Qo = G.(i1 – i4)

Hệ số COP của chu trình lạnh: COP1 = Q o

THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM

Thiết kế mô hình và hệ thống thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên hai mô hình thiết bị bay hơi, cụ thể là dàn bay hơi kênh Mini, với kích thước chi tiết được trình bày trong bảng 3.1 Dàn bay hơi được cấu tạo từ các ống dẹp bằng nhôm, có các kênh nhỏ bên trong để dẫn môi chất, với kích thước khác nhau Các cánh của dàn cũng được chế tạo bằng nhôm, như thể hiện trong Hình 3.1 Dàn lạnh đã trải qua thử nghiệm kiểm tra thủy lực ở áp suất 90 bar mà không gây hỏng hóc hay biến dạng Thông số kỹ thuật của các dàn bay hơi được tóm tắt trong bảng 3.1.

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật dàn bay hơi Mini

Thông số Dàn ống Mini E2

Kích thước thiết bị (mm) 540x360x20 Diện tích truyền nhiệt (m 2 ) 4,5

Số ống bên trong dàn 34

Số kênh bên trong ống 34x10 Đường kính kênh (mm) 1,6 x 1,2

Số dãy cánh nhôm tản nhiệt 35 Kích thước cánh nhôm (mm) 20 x 8 x 0,2

Hình 3.1 Dàn bay hơi kênh Mini

Hệ thống thí nghiệm sử dụng môi chất R744 để xác định năng suất lạnh của hệ điều hòa không khí theo thời gian Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm và thiết bị ngưng tụ thực tế được minh họa trong Hình 3.2 và Hình 3.3.

Sơ đồ hệ thống thí nghiệm bao gồm các thành phần chính như máy nén lạnh (a), thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi (b), van tiết lưu (c) và dàn bay hơi kênh Mini (d) Các điểm đo nhiệt độ và áp suất được đánh số từ 1 đến 4, giúp theo dõi hiệu suất của hệ thống.

Hình 3.3 Thiết bị ngưng tụ thực nghiệm thực tế

(1) Lồng quạt ; (2) Giá đỡ; (3) Bể chứa nước; (4) Khung chắn; (5) Tấm làm mát; (6) Mái che;

(7) Ống phun nước; (8) Van chặn; (9) Bơm nước; (10) Quạt; (11) Ống cấp nước; (12)Ống đồng; (13) Van xả nước; (14) Ống thủy; (15) Co ống; (16) Môi chất vào; (17) Môi chất ra

Hệ thống lạnh hoạt động theo nguyên lý sau: Khi van chặn thiết bị bay hơi kênh Mini mở, môi chất lạnh R744 ở trạng thái hơi quá nhiệt được máy nén hút vào, nén lên áp suất cao và chuyển đến thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi Tại đây, nước làm mát môi chất, trong khi không khí sẽ làm ngưng tụ nước Sau đó, môi chất lạnh tiếp tục đi qua van tiết lưu để thực hiện quá trình tiết lưu đẳng Entanpy Môi chất sau van tiết lưu vào thiết bị bay hơi kênh Mini, làm lạnh không khí, và các thông số nhiệt động và độ ẩm của không khí được ghi nhận bởi thiết bị đo Hơi bão hòa từ thiết bị bay hơi bị quá nhiệt và được máy nén hút về, hoàn thành chu trình, tiếp tục lặp lại Để theo dõi các thông số vận hành, hệ thống được trang bị 5 cảm biến nhiệt độ và 4 đồng hồ đo áp suất.

Các thiết bị trong thực nghiệm

Máy nén là thành phần chính trong chu trình làm lạnh, bắt đầu bằng việc hút khí lạnh áp suất thấp từ thiết bị bay hơi Chức năng chính của máy nén là nén môi chất lạnh, làm tăng nhiệt độ và áp suất, để khí nóng, áp suất cao được đưa ra ngoài Trong thực nghiệm, máy nén sử dụng là máy nén lạnh CO2 Dorin model CD 180H, thuộc loại máy nén piston nửa kín, hoạt động với nguồn 3 pha, điện áp 380V và tần số 50Hz.

Hình 3.4 Máy nén Dorin sử dụng trong nghiên cứu

3.2.2 Thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi

Thiết bị ngưng tụ có vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi gas quá nhiệt sau máy nén thành môi chất lạnh dạng lỏng, ảnh hưởng đến áp suất và nhiệt độ ngưng tụ, từ đó tác động đến hiệu quả và độ an toàn của hệ thống lạnh Nghiên cứu này tập trung vào thiết bị ngưng tụ kết hợp giữa nước và không khí để giải nhiệt, trong đó nước được sử dụng để làm mát môi chất lạnh, trong khi không khí có nhiệm vụ làm mát nước, được gọi là thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi.

Hình 3.5 Dàn ngưng tụ kiểu bay hơi thực tế

Môi chất sau khi nén ở áp suất và nhiệt độ cao sẽ được đưa vào thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi, bao gồm 4 bộ ống xoắn hoàn toàn ngập trong nước, thông qua bộ chia gas và ngưng tụ đến van tiết lưu Thiết bị này được làm mát bằng hệ thống nước phun, với các vòi phun được phân bố đều ở phía trên để làm mát tấm giải nhiệt nước.

Tiết lưu là quá trình không thuận nghịch, trong đó dòng lưu chất di chuyển qua một lỗ hẹp đột ngột và diễn ra nhanh chóng Quá trình này có sự trao đổi nhiệt lượng rất nhỏ giữa chất môi giới và môi trường xung quanh Hình ảnh thực tế của van tiết lưu được minh họa trong Hình 3.6.

Van tiết lưu có 2 nhiệm vụ:

Sau khi đi qua dàn làm mát, môi chất lạnh ở dạng lỏng với áp suất và nhiệt độ cao sẽ đi qua các khe nhỏ của van tiết lưu Hệ quả là, sau khi vượt qua van tiết lưu, môi chất lạnh sẽ có áp suất và nhiệt độ giảm xuống thấp.

Van tiết lưu sẽ điều chỉnh lượng môi chất lạnh được vào dàn lạnh, tùy thuộc vào nhiệt độ trong phòng

3.2.4 Dàn bay hơi kênh mini

Dàn bay hơi có vai trò quan trọng trong việc làm lạnh không khí thông qua quạt Không khí nóng được hấp thụ vào dàn lạnh và sau đó được chuyển đến dàn nóng để thải ra môi trường Hình 3.7 minh họa rõ nét về dàn bay hơi mini.

Hình 3.7 Dàn bay hơi kênh mini thực tế

3.2.5 Đồng hồ hiển thị áp suất

Hệ thống lạnh yêu cầu hiển thị áp suất để vận hành hiệu quả Mô hình thực nghiệm sử dụng bốn loại đồng hồ đo áp suất, bao gồm đồng hồ đo áp suất hút, áp suất đầu đẩy, áp suất trước tiết lưu và áp suất sau tiết lưu Hình ảnh thực tế của các đồng hồ này được trình bày trong Hình 3.8.

Hình 3.8 Đồng hồ cảm biến áp suất

3.2.6 Đồng hồ đo nhiệt độ

Mô hình thực nghiệm này sử dụng hai loại cảm biến để theo dõi và so sánh nhiệt độ, với nhiệt độ điểm cần đo được hiển thị rõ ràng Các loại cảm biến này được minh họa trong Hình 3.9.

 Thiết bị đo nhiệt độ thường DS-1

- Thiết bị đo nhiệt độ với đầu dò DS-1 là thiết bị được sử dụng rộng rãi để đo nhiệt độ hệ thống lạnh

- Các thông số kỹ thuật như sau:

 Dãy nhiệt độ hoạt động: -50 0 C ÷70 0 C

Hình 3.9 Thiết bị đo nhiệt độ thường có dầu dò DS-1

 Thiết bị đo nhiệt độ Extech

Thiết bị đo nhiệt độ Extech 421509 là một công cụ đa năng với hai kênh đo, được sử dụng để đo nhiệt độ tại các điểm nút trong hệ thống lạnh, như thể hiện trong Hình 3.10 Thiết bị này tương thích với nhiều loại cặp nhiệt, bao gồm K, J, T, E, R và S, mang lại sự linh hoạt cho người sử dụng trong các ứng dụng khác nhau.

N Cặp nhiệt sử dụng hiện tại trong nghiên cứu này là cặp nhiệt loại K Khi sử dụng cặp nhiệt loại K, thiết bị có phạm vi đo từ -20  250 0 C và độ chính xác: ± 0,75 % rdg

Hình 3.10 Đồng hồ hiển thị nhiệt độ Extech

3.2.7 Thiết bị đo lưu lượng

Để đảm bảo độ chính xác trong thực nghiệm, nhóm nghiên cứu đã quyết định sử dụng bộ đo lưu lượng Turbine Flow Meter Model: DGTT 015S nhằm thu thập tín hiệu lưu lượng từ đường hút của máy nén, như được thể hiện trong Hình 3.11.

Các thông số làm việc:

 Áp suất tối đa 100 bar

 Dãy nhiệt độ môi chất :-40 -150 0 C

Hình 3.11 Cảm biến lưu lượng Turbine Flow Meter DGTT-015S

Biến tần là thiết bị điều chỉnh tần số dòng điện trong động cơ, cho phép kiểm soát tốc độ một cách linh hoạt mà không cần hộp số cơ khí Thiết bị này sử dụng linh kiện bán dẫn để điều khiển dòng điện, tạo ra từ trường xoay và quay động cơ Trong nghiên cứu này, nhóm đã sử dụng biến tần VFD-L 0,4 kW để điều chỉnh chính xác tốc độ của quạt và bơm, nhằm tối ưu hóa nhiệt độ ngưng tụ của môi chất dưới điểm tới hạn.

Hình 3.12 Biến tần sử dụng trong điều khiển tốc độ quạt, bơm

Cảm biến áp suất 100 Bar Sensys M5256 -C3079E- 100BG được sử dụng kết hợp với đồng hồ đo áp suất, như thể hiện trong Hình 3.13 và Hình 3.14 Việc sử dụng này nhằm tối ưu hóa quá trình thực nghiệm, giảm thiểu sai sót trong việc đo giá trị áp suất so với đồng hồ đo áp suất thông thường.

- Các thông số làm việc:

 Thân được làm bằng vật liệu thép không gỉ

 Dãy nhiệt độ hoạt động: -40 – 125 0 C

Hình 3.13 Cảm biến áp suất thực tế

Hình 3.14 Bộ hiển thị áp suất được kết nối với cảm biến áp suất

Thiết bị đo tốc độ gió AVM-03, như được mô tả trong Hình 3.15, không chỉ đo tốc độ gió mà còn tích hợp cặp nhiệt loại K để đo nhiệt độ Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, chức năng đo nhiệt độ không được sử dụng do dãy nhiệt độ chỉ từ 0 đến 60 °C Lưu tốc kế có khả năng đo tốc độ gió trong phạm vi từ 0,0 đến 45,0 m/s với sai số ± 3%.

Hình 3.15 Lưu tốc kế AVM-03

CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Quá trình thực nghiệm

Bước 1: Kiểm tra an toàn khu vực thực nghiệm

Bước 2: Kiểm tra nước cấp trong Cooling pad (Yêu cầu là nước phải ngập hoàn toàn ống xoắn trong thùng chứa)

Bước 3: Kiểm tra và ghi áp suất của đồng hồ đo áp suất tại các điểm

Bước 4: Kiểm tra đóng/mở các van chặn

Bước 5: Kiểm tra van tiết lưu

Bước 6: Kiểm tra nguồn điện cấp cho máy nén, quạt dàn làm mát, quạt dàn bay hơi, nguồn cấp cho máy tính và bộ thu và nhận dữ liệu

Bước 1: Bật CB cấp nguồn cho hệ thống

Bước 2: khởi động biến tần điều khiển quạt và bơm thiết bị ngưng tụ và chỉnh tốc độ theo yêu cầu của thực nghiệm

Bước 3: Bật quạt dàn lạnh mini

Bước 4: Bật khởi động máy nén, bắt đầu vận hành hệ thống

Bước 5: Sau khi hệ thống hoạt động ổn định, người vận hành tiến hành điều chỉnh van tiết lưu để đạt được áp suất mong muốn, thường là 73 bar.

Bước 6: Đợi hệ thống chạy ổn định 15 phút ghi số liệu một lần Sau đó tăng tốc độ quạt lên dần 2 > 2,5 > 3 > 3,5 m/s và đợi ghi lại thông số

Bước 7: Cứ 30 phút ghi thông số thực nghiệm lại một lần

Trong quá trình thực hiện thí nghiệm, cần thường xuyên theo dõi và kiểm tra đồng hồ đo áp suất để phát hiện sự gia tăng áp bất thường Bên cạnh đó, việc kiểm tra mực nước trong thùng chứa tại Cooling pad qua ống thủy cũng rất quan trọng nhằm đảm bảo an toàn cho toàn bộ hệ thống.

Bước 3: Tắt quạt dàn lạnh mini

Bước 4: Tắt biến tần điều khiển quạt và bơm nước giải nhiệt thiết bị ngưng tụ

Bước 5: Ngắt nguồn cấp cho hệ thống

Bước 6: Dọn dẹp vệ sinh quanh khu vực thí nghiệm.

Tính toán thực nghiệm

4.2.1 Thông số thực nghiệm thu được

Kết quả thực nghiệm thu được từ ngày 17/3 đến ngày 8/6/2020 Một kết quả thực nghiệm điển hình ngày 31/5/2020 được thể hiện như Bảng 4.1

Bảng 4.1 Bảng thông số thực nghiệm ngày 31-05-2020

CHẠY DÀN LẠNH MINI ÁP TƯỜNG - KÊNH MINI DÀI

(Vận tốc gió ra dàn lạnh : v = 3 m/s)

Nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng đáng kể đến các trạng thái nhiệt động của dàn, như thể hiện qua nhiệt độ môi chất ra khỏi dàn lạnh, nhiệt độ gió ra dàn lạnh và nhiệt độ phòng lạnh.

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

Bước đầu tiên trong chu trình là xác định các điểm nút quan trọng Điểm 1 là nơi giao nhau giữa áp suất p1 và nhiệt độ t1, thể hiện trạng thái hơi hút vào máy nén Từ điểm 1, vẽ đường song song s1 = s2 = const, và điểm cắt của đường p2 với s1=s2 sẽ tạo ra điểm 2, thể hiện trạng thái hơi quá nhiệt ra khỏi máy nén Tiếp theo, điểm 3 là giao điểm giữa p2 và t3, đại diện cho trạng thái thoát hơi ra khỏi thiết bị làm mát Cuối cùng, từ điểm 3, vẽ đường thẳng h3 = h4 = const, và điểm cắt của p4 = p1 với đường h4 sẽ tạo ra điểm 4, thể hiện trạng thái thoát hơi ẩm của môi chất sau khi đi qua van tiết lưu.

Để xây dựng đồ thị từ các điểm nút của chu trình, trước tiên cần xác định các điểm nút này ở Bước 1 Sau khi có đồ thị, bước tiếp theo là lập bảng thông số cho các điểm nút của chu trình dựa trên đồ thị đã được xây dựng.

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, là rất quan trọng để đánh giá hiệu suất của hệ thống.

Trong nghiên cứu, nhóm đã thử nghiệm hệ thống điều hòa không khí CO2 với 7 trạng thái nhiệt độ môi trường và vận tốc gió ổn định 3 m/s Quá trình tính toán tập trung vào hệ số COP của các trạng thái nhiệt độ khác nhau theo thời gian, nhằm so sánh ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến năng suất lạnh và hiệu quả năng lượng của hệ thống.

Dựa trên các thông số thu thập từ quá trình thực nghiệm trong Bảng 4.1, chúng tôi đã vẽ các đồ thị p – h của CO2 cho các giá trị nhiệt độ Cụ thể, tại nhiệt độ 34,5 oC vào lúc 13g45, các điểm nút của chu trình được xác định theo Bảng 4.2.

Bảng 4.2 Điểm nút của giá trị nhiệt độ t= 34.5 o C Điểm P(bar) t( o C) t= 34.5 o C

Hình 4.1 Đồ thị p-h tại giá trị nhiệt độ môi trường 34.5 o C

(Vào lúc 13g45 ngày 31 tháng 05 năm 2020)

Bảng 4.3 Bảng điểm nút đồ thị P-h Điểm P(bar) t( o C) t4,5 o C/13g45

Bảng 4.4 Bảng thông số nhiệt động tại các điểm nút của chu trình h (kJ/kg) s (kJ/kg.K) t

Nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng đáng kể đến các trạng thái nhiệt động của hệ thống điều hòa không khí CO2 giải nhiệt nước và không khí Cụ thể, khi nhiệt độ môi trường giảm từ 34,5°C xuống 32,5°C, năng suất lạnh Qo tăng theo thời gian Đồng thời, áp suất đẩy và áp suất hút cũng giảm do điều chỉnh van tiết lưu, mặc dù lưu lượng không thay đổi nhiều.

Hình 4.2 Đồ thị biểu thị sự thay đổi nhiệt độ môi trường theo thời gian

Hình 4.3 Đồ thị biểu thị sự thay đổi COP theo thời gian

Thời gian Đồ thị biểu thị sự thay đổi nhiệt độ môi trường theo thời gian

Thời gian Đồ thị biểu thị sự thay đổi COP theo thời gian

Hình 4.4 Đồ thị biểu thị sự thay đổi năng suất lạnh Q 0 theo thời gian

Vào ngày 31 tháng 5 năm 2020, từ 13g45 đến 15h30, nhiệt độ môi trường tại Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM, số 1 Võ Văn Ngân, Quận Thủ Đức, đã giảm từ 34,5 oC xuống 32,5 oC trong khoảng thời gian 1 tiếng.

45 phút nhiệt độ giảm 2 o C Trung bình 15 phút, nhiệt độ môi trường giảm 0,29 o C

Trong khoảng thời gian khảo sát, hệ số hiệu quả năng lượng COP của hệ thống điều hòa không khí giải nhiệt nước và không khí đã tăng từ 5,437 lên 5,768 Cụ thể, trong 1 giờ 45 phút, COP đã tăng 0,331, tương đương với mức tăng trung bình 0,047 mỗi 15 phút.

Trong khoảng thời gian khảo sát, năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí sử dụng CO2 để giải nhiệt nước và không khí đã tăng từ 5,17 kW lên 5,67 kW Quá trình vận hành cho thấy, năng suất lạnh tăng 0,5 kW trong 15 phút, tương ứng với mức tăng trung bình 0,071 kW.

Lưu lượng môi chất qua máy nén dựa vào thông số thực tế qua bộ đo lưu lượng Turbine Flow Meter DGTT-015S :

G = 130 kg/h = 130/3600 = 0,0361 (kg/s) 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:

Sự thay đổi năng suất lạnh theo thời gian

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

Hệ số COP của chu trình lạnh: