Subcooling methods for CO2 refrigeration cycles-a review | Môn Kinh tế năng lượng - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

lOMoAR cPSD| 58707906 lOMoAR cPSD| 58707906
DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA TIỂU LUẬN
HỌC KỲ I NĂM HỌC 2022-2023 Nhóm: 1
Tên ề tài: SUBCOOLING METHODS FOR CO2 REFRIGERATION CYCLES-A REVIEW
Trưởng nhóm: Trần Văn Trung_20147225 SĐT: 0376392721 Điểm số:
................................................................................................................. Nhận
xét giáo viên: ..............................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
Tp. Thủ Đức, tháng 12, năm 2022
CHỮ KÝ XÁC NHẬN CỦA GV lOMoAR cPSD| 58707906 LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành tiểu luận này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành ến:
Ban giám hiệu trường Đại Học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh vì ã
tạo iều kiện về cơ sở vật chất với hệ thống thư viện hiện ại, a dạng các loại sách,
tài liệu thuận lợi cho việc tìm kiếm, nghiên cứu thông tin.
Xin cảm ơn giảng viên bộ môn – Thầy Đặng Thành Trung ã giảng dạy tận tình,
chi tiết ể em có ủ kiến thức và vận dụng chúng vào bài tiểu luận này.
Do chưa có nhiều kinh nghiệm làm ể tài cũng như những hạn chế về kiến thức,
trong bài tiểu luận chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận
ược sự nhận xét, ý kiến óng góp, phê bình từ phía Thầy ể bài tiểu luận ược hoàn thiện hơn.
Lời cuối cùng, em xin kính chúc thầy nhiều sức khỏe, thành công và hạnh phúc. lOMoAR cPSD| 58707906 MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ...................................................................................... 1
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH PHỤ CHO CHU TRÌNH
LÀM LẠNH CO2 ................................................................................................ 3
2.1. Các khía cạnh nhiệt ộng học của làm lạnh phụ CO2 ............................. 3
2.1.1. Tóm tắt các ặc tính CO2 ........................................................................ 3
2.2. Chu trình với làm lạnh phụ và hoạt ộng ................................................ 4
2.2.1. Làm lạnh phụ trong iều kiện cận tới hạn .............................................. 5
2.2.2. Làm lạnh phụ trong iều kiện tới hạn ..................................................... 7
2.3. Lợi ích của subcooling .............................................................................. 9
2.3.1. Dung tích............................................................................................... 9
2.3.2. COP ......................................................................................................11
2.4. Năng lượng ược yêu cầu bởi hệ thống làm mát phụ (chi phí làm mát
.......................................................................................................................... 12
phụ) .................................................................................................................. 12
2.5. Tối ưu hóa subcooling ............................................................................. 14
2.6. Internal methods ( Phương pháp nội tại ) ............................................ 15
2.6.1. Bộ trao ổi nhiệt bên trong (IHX) ........................................................ 15
2.6.1.1 Vị trí cổ iển ................................................................................. 16
2.6.1.2. Sự kết hợp của IHX với bộ phun (ejectors) ............................... 20
2.6.1.3. Sự kết hợp của IHX với bộ giãn nở ........................................... 21
2.6.1.4. IHX với chiết xuất hơi từ bình trung gian ................................. 22
2.6.2. Economizer hoặc subcooler ................................................................ 23
2.6.3. Bộ làm mát cơ khí tích hợp ................................................................ 24
2.6.4. Hệ thống lưu trữ nhiệt ......................................................................... 26
2.7. Các phương pháp làm lạnh phụ chuyên dụng ..................................... 27
2.7.1 Làm lạnh phụ cơ học chuyên dụng (DMS) ......................................... 27
2.7.2. Hệ thống làm mát bằng nhiệt iện (TSS) ............................................. 34
2.7.3. Other hybrid systems (các hệ thống kết hợp khác) ............................ 37
CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN ................................................................................ 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 41
PHỤ LỤC ........................................................................................................... 42 lOMoAR cPSD| 58707906 lOMoAR cPSD| 58707906
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
Các hệ thống làm lạnh bằng CO2 ã ược GS Lorentzen (1994) nghiên cứu vào
những năm 90 như một giải pháp khả thi hợp lý và kỹ thuật ể thay thế các chất
làm lạnh nhân tạo trong các ứng dụng làm lạnh và iều hòa không khí. Như
Lorentzen và Pettersen ã tuyên bố việc thực hiện các chu trình CO2 sẽ tránh tiếp
tục phát thải vài trăm nghìn tấn hóa chất lạ vào khí quyển mỗi năm liên quan ến
nguy cơ tiềm ẩn các tác ộng môi trường không lường trước ược (Lorentzen và Pettersen 1993).
Sự phục hưng của CO2 như là chất lỏng làm việc cho các ứng dụng chất làm lạnh
còn chậm, bởi vì các hệ thống làm lạnh CO2 ban ầu, ặc biệt là những hệ thống làm
việc hoặc phân tích trong iều kiện xuyên tới hạn, ạt ến mức hiệu quả năng lượng
không thể so sánh với chất làm lạnh nhân tạo. vào những thập kỷ trước. Đầu tiên,
nghiên cứu tập trung vào việc xác ịnh các sơ ồ làm lạnh thay thế và cải thiện hiệu
suất của các bộ phận riêng lẻ (Groll và Kim, 2007; Kim và cộng sự, 2004). Giai
oạn nghiên cứu ban ầu này rõ ràng cho thấy rằng các sơ ồ làm việc của các nhà
máy cạnh tranh sẽ rất khác so với các sơ ồ truyền thống ược sử dụng với chất làm
lạnh nhân tạo, do làm lạnh CO2 òi hỏi phải có sự kiểm soát tận tình ối với áp suất
thải nhiệt trong các iều kiện tới hạn (Peñarrocha et al., 2014). Thứ hai, làm lạnh
bằng CO2 ã ược thực hiện một bước tiến do sự phát triển của các thiết bị mở rộng
(Singh và Dasgupta, 2016) và hệ thống ẩy (Elbel, 2011; Elbel và Lawrence, 2016;
Hafner và cộng sự, 2014), cho phép thu hồi năng lượng trong các quá trình mở
rộng. Cuối cùng, hệ thống làm lạnh CO2 ã ược kết hợp với các hệ thống khác (hệ
thống hybrid) ể cung cấp iều hòa không khí, thực hiện thu hồi nhiệt, v.v., i. e., ể
cung cấp tất cả các nhu cầu về nhiệt của một ứng dụng bằng cách sử dụng một hệ
thống kết hợp rất hiệu quả (Pardiñas et al., 2018)
Trong những năm qua, song song với việc phê duyệt Quy chế F-Gas ở Châu Âu
(Ủy ban Châu Âu, 2014) và việc thông qua và phê chuẩn sửa ổi Kigali ối với Nghị
ịnh thư Montreal (UNEP, 2016), hệ thống lạnh CO2 ang ược mở rộng quy mô lớn.
công oạn, ặc biệt là trong siêu thị iện lạnh. Lĩnh vực này, với mức tiêu thụ iện cho lOMoAR cPSD| 58707906
mục ích làm lạnh ạt khoảng 45% tổng lượng tiêu thụ (Viện Điện lạnh Quốc tế,
2015), cần một chất làm lạnh ể giảm thiểu óng góp tiêu cực lớn của nó vào Hiệu
ứng nhà kính do sử dụng chất làm lạnh có GWP cao và tỷ lệ rò rỉ môi chất lạnh
(từ 5 ến 23% hàng năm) (Llopis và cộng sự, 2015b). Lý do ầu tiên khiến CO2 trở
thành ứng cử viên sáng giá nhất, ó là nó kết hợp các ặc tính môi trường thuận lợi
(GWP = 1) và các ặc tính bảo mật cao (phân loại A1 Ashrae). hệ thống cạnh tranh
hoặc thậm chí tốt hơn so với các hệ thống truyền thống, iều này làm tăng ộ phức tạp của tất nhiên.
Mặc dù một số nâng cấp của hệ thống làm lạnh CO2 ã ược ề cập rộng rãi trong
thập kỷ qua, những cải tiến liên quan ến "làm lạnh phụ" hoặc "sau khi làm mát"
CO2 ở lối ra của bộ làm mát khí / bình ngưng chưa ược phân tích trên toàn cầu.
Theo ó, mục ích của bài ánh giá này là tham gia vào nghiên cứu gần ây nhất liên
quan ến các chu trình, cơ chế và khả năng cải thiện hiệu suất năng lượng của các
nhà máy làm lạnh CO2 sử dụng hệ thống làm lạnh phụ ở lối ra của bộ làm mát khí
/ bình ngưng. Bản sửa ổi hiện ại ược coi là hệ thống dây chuyền cơ sở, chu trình
CO2 không có cải tiến, khả năng nâng cao hiệu suất tổng thể ạt 12% sử dụng bộ
trao ổi nhiệt bên trong, 22% sử dụng bộ tiết kiệm, 25,6% sử dụng hệ thống nhiệt
iện, 21,3% sử dụng làm mát cơ học tích hợp hệ thống và 30,3% sử dụng hệ thống
làm lạnh phụ cơ học chuyên dụng.
Đánh giá này ược giới hạn trong các hệ thống làm lạnh phụ dành cho hệ thống
làm lạnh CO2 và cụ thể cho các chu trình làm lạnh phụ ở lối ra của bộ làm mát khí
/ bình ngưng có sử dụng bộ trao ổi nhiệt. Các tùy chọn khác, chẳng hạn như công
nghệ nén song song (Chesi và cộng sự, 2014) không ược ề cập, bởi vì chúng không
trực tiếp dựa vào làm lạnh phụ CO2. Ở ây, chúng tôi nhấn mạnh vào hệ thống lạnh
bao gồm một bình tích lũy, vì thiết kế của nó là thích hợp nhất cho ứng dụng siêu
thị. Đối với các hệ thống này, do sự hiện diện của bình tích lũy, ặc tính nhiệt ộng
học của các chu trình ộc lập với iện tích chất làm lạnh. lOMoAR cPSD| 58707906
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH PHỤ CHO CHU TRÌNH LÀM LẠNH CO2
2.1. Các khía cạnh nhiệt ộng học của làm lạnh phụ CO2
2.1.1. Tóm tắt các ặc tính CO2
CO2 kết hợp các ặc tính môi trường thuận lợi (GWP = 1), ặc tính bảo mật cao và
các ặc tính vật lý nhiệt tuyệt vời, iều ã khiến nó trở thành chất làm lạnh ược ưa
chuộng cho các mục ích thương mại tập trung.
Áp suất hơi CO2 cao (34,8 bar ở 0ºC và 16,8 bar ở -25ºC), nhiệt tiềm ẩn của nó
thay ổi pha (230,9 kJ · kg-1 ở 0ºC và 293,3 kJ · kg-1 ở -25ºC) kết hợp với thể tích
riêng nhỏ của nó (0,0102 kg · m-3 ở 0ºC và 0,0228 kg · m-3 ở -25ºC) dẫn ến năng
suất thể tích cao hơn từ 3 ến 10 lần so với chất làm lạnh nhân tạo ược sử dụng cho
các hệ thống thương mại tập trung, giúp giảm kích thước của dòng chất lỏng và
hơi như cũng như của máy nén (Ma và cộng sự, 2013). Đặc tính vận chuyển của
CO2, óng một vai trò quan trọng trong ặc tính truyền nhiệt và giảm áp suất, cũng
thuận lợi trái ngược với chất làm lạnh nhân tạo, ặc biệt là tính dẫn nhiệt và ộ nhớt
của nó (Kim và cộng sự, 2004). Tuy nhiên, iều khiến nó trở thành 'chất làm lạnh
ặc biệt' là nhiệt ộ tới hạn thấp (tC = 30,978 ºC) kết hợp với áp suất tới hạn cao (pC
= 73,77bar). Ở nhiệt ộ môi trường cao hơn nhiệt ộ tới hạn của nó, các chu trình
CO2 thực hiện loại bỏ nhiệt trong iều kiện xuyên tới hạn (trong thực tế ở nhiệt ộ
cao hơn 25ºC), nơi không giống như các chất làm lạnh nhân tạo thông thường, áp
suất và nhiệt ộ không i ôi với nhau (Sánchez và cộng sự, 2014b). Thay vì ngưng
tụ, CO2 dọc theo vùng siêu tới hạn trải qua quá trình làm mát bằng khí với nhiệt ộ
giảm dần và ộ trượt lớn trong quá trình loại bỏ nhiệt, do ó, bộ trao ổi nhiệt ể loại
bỏ năng lượng ược gọi là bộ làm mát khí. Chu trình tới hạn yêu cầu tối ưu hóa áp
suất thải nhiệt vì hiệu suất năng lượng của nó ược liên kết với áp suất ở phía cao
của chu trình. Giá trị tối ưu của nó thường tương quan với nhiệt ộ bay hơi và nhiệt
ộ bay hơi của môi trường / làm mát bằng khí (Chen và Gu, 2005; Kauf, 1999; Liao
et al., 2000). Đối với chu trình CO2, áp suất thải nhiệt cao (98,5 bar ở tO = -0,8ºC
và tgc, out = 40,4ºC,101,2 bar ở tO = -10,0ºC và tgc, out = 40,2ºC) và tốc ộ áp suất cao
giữa quá trình thải nhiệt và mức ộ bay hơi gây ra tổn thất do tác dụng lớn dẫn ến lOMoAR cPSD| 58707906
giảm giá trị hiệu suất năng lượng của các chu trình tương ứng (Cabello et al., 2008).
Giảm tổn thất do tác dụng trong quá trình giãn nở CO2 ã là 'chìa khóa' hay 'thách
thức' ể tăng hiệu quả năng lượng của các chu trình làm lạnh CO2 trong hai thập kỷ
qua, với những thành tựu to lớn trong việc phát triển các thiết bị giãn nở (Singh
và Dasgupta, 2016) và máy phóng (Elbel và Lawrence, 2016). Những thành tựu
này, ã ược phát triển, ã ặt các chu trình CO2 ở mức hiệu quả năng lượng tương tự
như các chất làm lạnh trước ây ược sử dụng cho các mục ích thương mại tập trung.
Ngoài ra, trong thập kỷ trước, các chiến lược làm lạnh con cũng ược xem là ể tăng
hiệu suất năng lượng của các chu trình CO2.
2.2. Chu trình với làm lạnh phụ và hoạt ộng
Cấu hình chu trình tham chiếu CO2 ược xem xét ể phân tích làm lạnh con tương
ứng với cách bố trí cổ iển cơ bản nhất ược sử dụng cho các mục ích thương mại
tập trung, nó ược trình bày trong Hình 1. Nó bao gồm một hệ thống nén, một bộ
làm mát khí / bình ngưng thực hiện loại bỏ nhiệt ến bộ phận tản nhiệt (tH) , một
hệ thống làm lạnh con chung có chức năng là làm lạnh phụ năng lượng hấp thụ
CO2 dọc theo bộ làm lạnh con ở nhiệt ộ trung gian (tI ể kiểm soát áp suất loại bỏ nhiệt và một bộ thu nơi chất làm lạnh không sử dụng
ược có hàng. Sau ó, chất làm lạnh lỏng ược chiết xuất từ bình và ược ưa ến các
thiết bị bay hơi nơi chu trình hấp thụ chất tải nhiệt từ nguồn lạnh (tC). Thiết bị bay
hơi thường ược iều khiển bằng van giãn nở duy trì mức ộ quá nhiệt không ổi. lOMoAR cPSD| 58707906
Hình 1. Sơ ồ bố trí hệ thống lạnh CO2 mở rộng hai cấp với hệ thống làm lạnh phụ.
Nhiệt ộ tới hạn thấp của CO2 (tcrit = 30,978ºC) ngụ ý rằng các hệ thống lạnh này
chạy theo hai chế ộ hoạt ộng chính: ở nhiệt ộ thải nhiệt thấp, chu trình hoạt ộng
trong iều kiện không tới hạn, trong ó bộ trao ổi nhiệt thực hiện thải nhiệt thông
qua quá trình ngưng tụ ở nhiệt ộ không ổi. Ở nhiệt ộ loại bỏ nhiệt cao, về mặt lý
thuyết ối với nhiệt ộ loại bỏ nhiệt cao hơn giá trị tới hạn nhưng trên thực tế ối với
nhiệt ộ cũng dưới giá trị tới hạn (Sánchez và cộng sự, 2014b), chu trình hoạt ộng
trong iều kiện siêu tới hạn. Trong trường hợp này, bộ trao ổi nhiệt hoạt ộng như
một bộ làm mát khí với nhiệt ộ giảm dần thông qua quá trình loại bỏ nhiệt. (Kim
và cộng sự, 2004). Trong suốt một năm, chu trình làm lạnh luân phiên hoạt ộng
của nó trong các iều kiện tới hạn và siêu tới hạn, là phân tích cần thiết cho cả hai chế ộ hoạt ộng.
2.2.1. Làm lạnh phụ trong iều kiện cận tới hạn
Làm lạnh CO2 trong iều kiện cận tới hạn có thể ược thực hiện bằng cách sử dụng
hai loại chiến lược, ược phân tích rộng rãi bởi Koeln và Alleyne (2014).
Loại ầu tiên bao gồm ngưng tụ ở áp suất cưỡng bức cao hơn mức tối thiểu mà
bình ngưng cho phép. Tình huống này ược thể hiện trong Hình 2a với ường ứt nét,
với nhiệt ộ ngưng tụ tK * cao hơn tK.Trong trường hợp này, bình ngưng thực hiện
loại bỏ nhiệt ở nhiệt ộ cao và có thể tự cung cấp một mức ộ làm lạnh phụ nhỏ lOMoAR cPSD| 58707906
(thiết bị làm lạnh phụ có thể ược sử dụng trước ây). Chiến lược này ược sử dụng
trong thực tế cho các hệ thống lạnh công suất nhỏ sử dụng thương mại làm việc
với các ống mao dẫn, trong ó khối lượng chất làm lạnh ược tối ưu hóa ể ạt ược
mức ộ làm lạnh phụ mong muốn trong bình ngưng, như ược mô tả bởi Pisano et
al. (2015), và do ó tối a hóa hiệu suất năng lượng của hệ thống.Theo Pottker và
Hrnjak (2015), ối với chu trình nén một cấp với bình ngưng làm mát bằng nước,
làm lạnh dưới ộ bão hòa của chất lỏng làm tăng hiệu ứng chất làm lạnh và COP
của hệ thống , bởi vì làm mát phụ bằng chất lỏng làm giảm tổn thất tiết lưu trong
thiết bị giãn nở. Mô phỏng của họ ối với hệ thống iều hòa không khí chỉ ra mức
cải thiện COP là 8,4% với R-1234yf, 7,0% với R410A, 5,9% với R-134a và 2,7%
với R-717, ở nhiệt ộ ầu vào của bình ngưng và thiết bị bay hơi tương ứng là 14ºC và 0ºC. . .
Chiến lược thứ hai tương ứng với chiến lược thông thường trong các hệ thống
thương mại tập trung, ược thể hiện bằng ường liên tục trong Hình 2. Nó bao gồm
thực hiện loại bỏ nhiệt ở nhiệt ộ tối thiểu mà bình ngưng cho phép (tK), cho ến khi
bão hòa, và sau ó kết hợp hệ thống làm lạnh con ể giảm nhiệt ộ CO2 chất lỏng.
Một lần nữa, do có sẵn áp suất ngược, áp suất ngưng tụ có thể buộc phải cao hơn,
nhưng kết quả lý thuyết của Nebot-Andrés et al. (2017) chỉ ra rằng tình hình hoạt
ộng tốt nhất là khi CO2 ở lối ra của bình ngưng ang ở trạng thái bão hòa. Chế ộ
hoạt ộng này có thể thực hiện ược do sự hiện diện của áp suất ngược, áp suất này
phải tạo ra sự giảm áp suất (∆prec ) ể ảm bảo rằng bình ở iều kiện bão hòa. Trong
trường hợp này, như ược trình bày trong Hình 2a, làm lạnh con mang lại ba tác
ộng tích cực liên quan ến chu kỳ không làm lạnh phụ: giảm áp suất trong bình
(∆prec ),sự gia tăng của hiệu ứng làm lạnh cụ thể (∆qo)và giảm chất lượng hơi ở ầu
vào của thiết bị bay hơi (∆xv ),có thể dẫn ến tăng nhẹ mức ộ bay hơi (Qureshi và
cộng sự, 2013). Không có tác ộng tiêu cực nào ược ưa ra ngoại trừ chi phí làm mát
phụ. Hơn nữa, như ược quan sát trong biểu ồ nhiệt ộ-entropy trong các hình tam
giác ược tô bóng (Hình 2b), sự giới thiệu của hệ thống làm lạnh phụ ối với CO2
chu kỳ cũng làm giảm tổn thất trong quá trình tiết lưu. lOMoAR cPSD| 58707906
Hình 2. Chu trình CO2 ( ỏ) và CO2 với làm lạnh phụ cơ học chuyên dụng (xanh
lục) trong iều kiện tới hạn. A: p-h; b: t-s.tenv = 20ºC, tO = -10ºC, ∆tgc = 5K, SH =
10K. Phỏng theo Nebot-Andrés et al. (2017).
2.2.2. Làm lạnh phụ trong iều kiện tới hạn
Ở nhiệt ộ thải nhiệt cao, hệ thống lạnh hoạt ộng trong iều kiện xuyên tới hạn
và chỉ có một chiến lược khả thi ể làm lạnh CO2, ược trình bày trong Hình 3. Nó
dựa trên việc sử dụng hệ thống làm lạnh phụ ở lối ra của bộ làm mát khí và trước áp
suất ngược ể cung cấp mức ộ làm lạnh phụ mong muốn. Nghiên cứu ược thảo luận
trong Phần 4 và 5 chỉ ra rằng làm mát phụ làm giảm áp suất thải nhiệt tối ưu liên lOMoAR cPSD| 58707906
quan ến bố trí không làm mát phụ. Theo ó, các tác dụng có lợi của làm lạnh phụ là
tăng cường trong iều kiện xuyên tới hạn (Hình 3a), vì nó cho phép: giảm áp suất
thải nhiệt tối ưu (∆pgc ),giảm công việc nén cụ thể trong máy nén (∆wc ), giảm áp
suất ầu thu (∆prec ), sự gia tăng của hiệu ứng làm lạnh cụ thể (∆qo ) và giảm chất
lượng hơi ở ầu vào của thiết bị bay hơi (∆xv ), iều này cũng có thể dẫn ến sự gia
tăng mức ộ bay hơi (Qureshi và cộng sự, 2013). Một lần nữa, nhược iểm duy nhất
là 'chi phí làm lạnh phụ' hoặc năng lượng ầu vào cho hệ thống làm mát phụ. Ngoài
ra, theo Hình 3b, quan sát thấy rằng việc làm mát phụ làm giảm tổn thất trong các
thiết bị giãn nở, và với ộ giãn nở lớn hơn so với trong iều kiện tới hạn, do áp suất
thải nhiệt tối ưu ược giảm xuống. Thiết bị làm lạnh phụ trong iều kiện tới hạn sẽ
hoạt ộng gần iểm tới hạn, thường vượt qua ường ẳng nhiệt tới hạn (tcrit) và ôi khi là
ường nhiệt ộ giả (tPS), trong ó nhiệt dung riêng ẳng áp của CO2 ạt giá trị tối a (Liao
và Zhao, 2002) và CO2. Các ặc tính chịu sự thay ổi lớn, như phân tích của Torrella
et al. (2011). Ở nhiệt ộ loại bỏ nhiệt cao, hệ thống làm mát phụ có thể bị CO2 các
thay ổi về ặc tính, do ó, nó chỉ ra rằng các nguyên tắc thiết kế của bộ trao ổi nhiệt
làm mát phụ phải tuân theo các nguyên tắc tương tự như bộ làm mát bằng khí. lOMoAR cPSD| 58707906
Hình 3. CO2 chu kỳ ( ỏ) và CO2 với hệ thống làm mát cơ học chuyên dùng (màu
xanh lá cây) trong iều kiện tới hạn.a: ph; b: ts.tenv = 33ºC, tO = -10ºC, ∆tgc = 5K, SH
= 10K. Phỏng theo Nebot-Andrés et al. (2017)
2.3. Lợi ích của subcooling 2.3.1. Dung tích
Phương trình (1) thể hiện khả năng làm lạnh của hệ thống làm lạnh CO2 có làm
lạnh phụ (Hình 1), tương ứng với tích của tốc ộ dòng khối lượng môi chất lạnh và
hiệu ứng làm lạnh cụ thể trong thiết bị bay hơi. Thuật ngữ này có thể ược biểu thị
bằng việc bổ sung công suất của chu trình CO 2mà không cần xem xét ến quá trình
làm lạnh phụ và nhiệt ược thiết bị làm mát phụ thu ược, như ược biểu thị bằng
biểu thức. (2) và (3). Hiệu ứng làm lạnh cụ thể của chu trình không làm lạnh phụ,
phương trình. (4), là sự khác biệt giữa entanpy ở lối ra của thiết bị bay hơi và ở lối
ra của bộ làm mát bằng khí/bộ ngưng tụ, trong ó '*' biểu thị giá trị entanpy ở lối
ra của bộ làm mát bằng khí/bộ ngưng tụ ở mức tối ưu mới các iều kiện xem xét hệ
thống làm mát phụ, có thể khác với chu trình ược tối ưu hóa không có làm mát phụ. lOMoAR cPSD| 58707906
Bảng 1 liên quan ến mức tăng công suất ạt ược bởi một số hệ thống làm mát phụ
nói chung, ược biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm so với hệ thống tham chiếu ược sử
dụng ể ánh giá. Torrella và cộng sự. (2011) ã o lường mức tăng công suất lên tới
12% bằng cách sử dụng bộ trao ổi nhiệt bên trong nhà máy làm lạnh một tầng so
với cách bố trí cơ bản ở nhiệt ộ loại bỏ nhiệt cao và Llopis et al. (2016a) ã o ược
mức tăng công suất lên tới 55,7% ối với nhà máy một tầng vận hành với hệ thống
làm mát con cơ học chuyên dụng R-1234yf ở iều kiện COP tối ưu. Tuy nhiên,
phần còn lại của các nghiên cứu ược ánh giá từ cách tiếp cận lý thuyết và không
báo cáo các mức tăng công suất có thể.
Li và cộng sự. (2017) ã ề xuất tham số RICOSP, Eq. (5), ể ịnh lượng mối quan hệ
giữa việc tăng công suất của hệ thống nén hơi làm mát phụ với công suất hoặc
nhiệt do thiết bị làm mát phụ tạo ra. Từ cách tiếp cận lý thuyết trong các chu kỳ
cận tới hạn, họ ã kết luận rằng công suất làm mát dưới tới hạn không thể ược
chuyển ổi hoàn toàn thành sự gia tăng sản lượng làm mát và thiết lập giới hạn
nhiệt ộng lực học của RICOSP thành 1. Ở các iều kiện dưới tới hạn như trong
Hình 2, bỏ qua tổn thất năng lượng ra môi trường , thông số RICOSP bằng một vì
mức tăng công suất (∆qo) trùng với mức chênh lệch entanpy ạt ược trong bộ làm
mát phụ (∆hsub). Trong Li et al. (2017) mô phỏng, họ ã tính toán giá trị RICOSP
là 0,805. Tuy nhiên, và cũng ược nêu bởi cùng các tác giả, nếu quá trình làm lạnh
phụ thay ổi các iều kiện hoạt ộng của chu trình, như trong trường hợp iều kiện
xuyên tới hạn (Hình 3), thì RICOSP có thể vượt quá ơn vị. Ở các iều kiện chuyển
tiếp như trong Hình 3, RICOSP vượt quá ơn vị (∆hsub>∆q0) vì quá trình làm lạnh
phụ cũng làm tăng lưu lượng khối lượng môi chất lạnh do giảm nhiệt ộ thải nhiệt lOMoAR cPSD| 58707906
tối ưu. Ví dụ, Llopis et al. (2016a) ã o giá trị RICOSP là 1,19 bằng cách sử dụng
bộ làm mát phụ cơ học chuyên dụng R1234yf trong nhà máy làm lạnh CO2 một
tầng ở -10ºC của nhiệt ộ bay hơi và 40ºC của nhiệt ộ ầu ra bộ làm mát khí ở áp
suất loại bỏ nhiệt tối ưu. Việc sử dụng hệ thống làm mát phụ giúp giảm áp suất
làm mát bằng khí tối ưu là 5,2 bar, dẫn ến tăng tốc ộ dòng chảy của chất làm lạnh
trong chu trình CO2 là 0,5%.
Theo ó, có thể suy luận rằng việc sử dụng hệ thống làm lạnh phụ trong chu trình
CO2 mang lại khả năng cao nhất so với trong iều kiện cận tới hạn, vì hệ thống làm
mát phụ iều chỉnh các iều kiện vận hành của chu trình CO2 theo hướng áp suất
thấp hơn. Tuy nhiên, các giới hạn nhiệt ộng của quá trình làm lạnh phụ trong iều
kiện xuyên biên giới chưa ược phân tích rộng rãi. Ngoài ra, biểu hiện của RICOSP
cho các chu trình CO2 phải ược ánh giá ở áp suất thải nhiệt tối ưu. 2.3.2. COP
Phương trình (6) thể hiện COP của chu trình làm lạnh CO2 với làm lạnh phụ.
Xác ịnh COP của hệ thống làm mát phụ là thương số giữa nhiệt lượng ược thiết
bị làm mát phụ thu ược và năng lượng ầu vào ể kích hoạt hệ thống làm mát phụ,
Eq. (7), COP tổng thể của hệ thống làm lạnh CO2 ược làm lạnh phụ có thể ược
biểu thị thông qua sự cân bằng năng lượng trong hệ thống ược làm lạnh phụ như
ược trình bày chi tiết trong biểu thức. (số 8). Trong phương trình. (8) quan sát thấy
rằng COP tổng thể phụ thuộc vào chênh lệch entanpy CO2 do hệ thống làm mát
phụ gây ra (Δhsub) và trên COP của hệ thống làm mát phụ (COPsub). Việc làm mát
phụ sẽ có tác ộng tích cực ến COP. Có thể dễ dàng chứng minh rằng hệ thống làm
mát phụ sẽ nâng cao COP tổng thể nếu COP của hệ thống làm mát phụ thỏa mãn lOMoAR cPSD| 58707906
biểu thức. (9) ở iều kiện vận hành của chu trình. Điều ó có nghĩa là một hệ thống
làm mát phụ sẽ nâng cao hiệu suất của chu trình CO2 miễn là COPsub = f(tH,tI) cao
hơn so với COPsub = f(tH,tC) của chu trình CO2. Trong trường hợp hệ thống làm
mát phụ cơ học, iều kiện của Eq. (9) nói chung là thỏa mãn nếu hệ thống làm mát
phụ thực hiện loại bỏ nhiệt ến cùng một bộ tản nhiệt như chu trình CO2 (tH), vì
nguồn lạnh của hệ thống làm lạnh phụ (tI) cao hơn nguồn lạnh của chu trình CO2
(tC). Tuy nhiên, khi hệ thống làm mát phụ có giá trị COP thấp, chẳng hạn như khi
sử dụng các thiết bị nhiệt iện, các cải tiến bị hạn chế ể áp ứng biểu thức. (9) và ạt
ược những cải tiến thấp hơn do giá trị thấp của COPsub. Những hiệu ứng này có
thể ược quan sát thấy trong các kết quả ược trình bày trong Bảng 1. Các hệ thống
nén hơi ược sử dụng làm hệ thống làm mát phụ ạt ược những cải tiến lớn về COP
tổng thể vì chúng hoạt ộng với chênh lệch nhiệt ộ thấp giữa nguồn lạnh và bộ tản
nhiệt (Llopis et al., 2016a) tuy nhiên, những cải tiến ạt ược bởi các hệ thống nhiệt
iện ngắn hơn do giá trị COP thấp (Sarkar, 2013).
Theo ó, có thể khẳng ịnh rằng các hệ thống làm mát phụ sẽ mang lại mức tăng
COP cao hơn khi COP của hệ thống làm mát phụ cao hơn, tuy nhiên, các giới hạn
nhiệt ộng lực học của cải tiến này chưa ược phân tích rộng rãi.
2.4. Năng lượng ược yêu cầu bởi hệ thống làm mát phụ (chi phí làm mát phụ)
Chi phí làm mát phụ hoặc năng lượng ầu vào bổ sung mà hệ thống yêu cầu ể có
ược làm mát phụ phụ thuộc vào lượng làm mát phụ ược cung cấp và hành vi nhiệt
ộng lực học của hệ thống làm mát phụ. phương trình (10) thể hiện tổng năng lượng
ầu vào của hệ thống, xem xét mức tiêu thụ năng lượng của chu trình CO2 và của
hệ thống làm mát phụ. phương trình (11) thể hiện mức tăng tiêu thụ năng lượng
của hệ thống ược làm lạnh phụ ('*') so với hệ thống không ược làm mát phụ. lOMoAR cPSD| 58707906
Lấy hệ thống lý tưởng của Hình 1 làm tham chiếu, nếu quá trình làm lạnh phụ
ược thực hiện trong các iều kiện cận tới hạn (Hình 2), thì quá trình làm lạnh phụ
không làm thay ổi áp suất loại bỏ nhiệt tối ưu và do ó hoạt ộng của bình ngưng và
máy nén. Tương ứng, mức tăng năng lượng ầu vào của hệ thống làm mát phụ là
thương số giữa nhiệt lượng ược thiết bị làm mát phụ thu ược và COP của hệ thống
làm mát phụ, Eq. (12). Tình trạng này xảy ra trong các hệ thống CO2 cận tới hạn
và nó cũng có thể áp dụng cho các chất làm lạnh thông thường hoạt ộng trong iều
kiện cận tới hạn (Qureshi et al., 2013; Zubair, 1994).
Tuy nhiên, việc sử dụng hệ thống làm mát phụ trong iều kiện chuyển tiếp có thể
làm giảm áp suất loại bỏ nhiệt (Hình 3) và do ó iều chỉnh các iều kiện vận hành
của máy nén. Nếu áp suất loại bỏ nhiệt thấp hơn, lưu lượng khối lượng chất làm
lạnh CO2 của chu trình ược làm mát phụ sẽ cao hơn so với chu trình không ược
làm mát phụ, nhưng công nén cụ thể của chu trình ược làm mát phụ thấp hơn so
với chu trình không ược làm mát phụ (wcomp* < wcomp), có xu hướng ngược lại.
Tuy nhiên, kết quả thí nghiệm của Llopis et al. và cộng sự. (2017) với nhà máy
hai giai oạn DMS thậm chí còn giúp giảm tổng mức tiêu thụ iện năng của hệ thống.
Sau ó, có thể khẳng ịnh rằng mức tăng tiêu thụ năng lượng do hệ thống làm mát
phụ trong iều kiện xuyên tới hạn sẽ thấp hơn mức ược thiết lập trong iều kiện cận
tới hạn, như ược biểu thị bằng biểu thức. (13). lOMoAR cPSD| 58707906
2.5. Tối ưu hóa subcooling
Như ã ề cập trước ây, làm mát phụ trong hệ thống làm lạnh CO2 iều chỉnh các iều
kiện vận hành tối ưu của nó, ặc biệt là trong các iều kiện chuyển tiếp, trong ó làm
mát phụ có thể giảm áp suất loại bỏ cao tối ưu và do ó thay ổi hoạt ộng của máy
nén CO2. Rõ ràng, các hệ thống như vậy cần phải xác ịnh các tham số vận hành ể
tối a hóa COP của toàn bộ hệ thống.
COP của chu trình làm mát phụ, Eq. (6), phụ thuộc vào công suất làm mát và năng
lượng ầu vào cho máy nén và hệ thống làm mát phụ. Đối với iều kiện vận hành cố
ịnh, với mức bay hơi xác ịnh và nhiệt ộ ầu ra của bộ làm mát khí, mức tiêu thụ iện
của máy nén CO2 chỉ phụ thuộc vào áp suất loại bỏ cao, Eq. (14) (Cabello et al.,
2008), và khả năng làm mát phụ thuộc vào áp suất loại bỏ cao cũng như vào quá
trình làm mát phụ, Eq. (15). Đề cập ến hệ thống làm mát phụ, nguồn lạnh của nó
tại TI chỉ phụ thuộc vào mức ộ làm mát phụ, sau ó năng lượng ầu vào cho hệ thống
làm mát phụ là một chức năng của làm mát phụ, Eq. (16). Do ó, có thể khẳng ịnh
rằng COP của toàn hệ thống là hàm của áp suất loại bỏ nhiệt và của mức ộ làm
mát phụ, như ược biểu thị bằng biểu thức. (17). Trong các iều kiện cận tới hạn, áp
suất loại bỏ nhiệt tối ưu bằng với áp suất ngưng tụ, như ã thảo luận trong tiểu mục
2.2, và chỉ cần tối ưu hóa mức ộ làm lạnh dưới mức. Tuy nhiên, trong các iều kiện
xuyên biên giới, COP của nhà máy bị ràng buộc bởi hai tham số (Nebot-Andrés
et al., 2017) phải ược tối ưu hóa cùng nhau.
Điều quan trọng là phải nhấn mạnh rằng các mối quan hệ cổ iển ể xác ịnh áp suất
loại bỏ nhiệt tối ưu trong các chu trình truyền CO2 (Chen và Gu, 2005; Kauf, 1999;
Liao và cộng sự, 2000) không phù hợp với các chu trình ược làm lạnh phụ, vì iều