Nghiên cứu thực nghiệm về thiết bị làm lạnh không khí kiểu bay hơi nước gián tiếp ứng dụng chu trình maisotsenko (m-Iec)
Bài báo này tập trung nghiên cứu tính hiệu quả, và khả năng
ứng dụng của thiết bị làm lạnh không khí kiểu bay hơi nước gián tiếp
ứng dụng chu trình Maisotsenko (gọi tắt là M-IEC) nhằm thay thế cho
các máy điều hòa không khí truyền thống đang sử dụng trong các khu
vực dân dụng như trường học, nhà hàng, các công trình công cộng
với điều kiện khí hậu Việt Nam. Một mô hình thiết bị M-IEC đã được
thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh. Tiếp đến, 19 thí nghiệm đã được tiến
hành trên mô hình thiết bị ứng với điều kiện khí hậu tại thành phố (TP)
Đà Nẵng, Việt Nam. Từ kết quả thực nghiệm, nhóm tác giả đã tính
toán, phân tích và đánh giá hiệu quả hoạt động thực tế của thiết bị dựa
vào 4 chỉ tiêu là năng suất lạnh, hệ số làm lạnh (COP), hiệu suất nhiệt
độ bầu ướt, và nhiệt độ không khí sau khi xử lý.
Tóm tắt nội dung tài liệu: Nghiên cứu thực nghiệm về thiết bị làm lạnh không khí kiểu bay hơi nước gián tiếp ứng dụng chu trình maisotsenko (m-Iec)
46 Ngô Phi Mạnh, Đinh Minh Hiển NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ THIẾT BỊ LÀM LẠNH KHÔNG KHÍ KIỂU BAY HƠI NƯỚC GIÁN TIẾP ỨNG DỤNG CHU TRÌNH MAISOTSENKO (M-IEC) EXPERIMENTAL RESEARCH ON THE INDIRECT EVAPORATIVE COOLER APPLYING THE MAISOTSENKO CYCLE (M-IEC) Ngô Phi Mạnh1, Đinh Minh Hiển2 1Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; npmanh@dut.udn.vn 2Sinh viên Lớp 13NL - Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Bài báo này tập trung nghiên cứu tính hiệu quả, và khả năng ứng dụng của thiết bị làm lạnh không khí kiểu bay hơi nước gián tiếp ứng dụng chu trình Maisotsenko (gọi tắt là M-IEC) nhằm thay thế cho các máy điều hòa không khí truyền thống đang sử dụng trong các khu vực dân dụng như trường học, nhà hàng, các công trình công cộng với điều kiện khí hậu Việt Nam. Một mô hình thiết bị M-IEC đã được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh. Tiếp đến, 19 thí nghiệm đã được tiến hành trên mô hình thiết bị ứng với điều kiện khí hậu tại thành phố (TP) Đà Nẵng, Việt Nam. Từ kết quả thực nghiệm, nhóm tác giả đã tính toán, phân tích và đánh giá hiệu quả hoạt động thực tế của thiết bị dựa vào 4 chỉ tiêu là năng suất lạnh, hệ số làm lạnh (COP), hiệu suất nhiệt độ bầu ướt, và nhiệt độ không khí sau khi xử lý. Abstract - This paper focuses on the effectiveness, and applicability of an indirect evaporative cooler which applies the Maisotsenko cycle (M-IEC) in order to replace the conventional air- conditioners being used in civil areas such as schools, restaurants, public areas in Vietnam. Firstly, An M-IEC model has been designed and manufactured. Secondly, 19 experiments in total are conducted on the current model under climate conditions in Danang city, Vietnam. And finally, from the experimental results, the authors have calculated, analyzed and evaluated the efficiency of the equipment based on four criteria: cooling capacity, coefficient of performance (COP), the wet-bulb effectiveness, and outlet air temperature. Từ khóa - M-IEC; điều hòa không khí kiểu truyền thống; năng suất lạnh; hệ số làm lạnh; hiệu quả làm lạnh (COP); nhiệt độ không khí. Key words - M-IEC; conventional air conditioners; cooling capacity; coefficient of performance (COP); outlet air temperature. 1. Đặt vấn đề Hiện nay, với mục tiêu tìm ra các giải pháp làm lạnh không khí mới nhằm thay thế cho các máy điều hòa không khí truyền thống, các nhà khoa học trên thế giới đang tập trung vào hướng nghiên cứu nâng cao hiệu quả làm việc của thiết bị làm lạnh không khí kiểu bay hơi nước - vốn đã xuất hiện rất lâu, rất dễ chế tạo, chi phí đầu tư ban đầu thấp, vận hành đơn giản, điện năng tiêu thụ thấp, và rất thân thiện với môi trường vì môi chất sử dụng chỉ là nước và không khí. Có hai kiểu thiết bị làm lạnh không khí theo phương pháp bay hơi nước: Thiết bị làm lạnh không khí kiểu bay hơi nước trực tiếp (DEC) và thiết bị làm lạnh không khí kiểu bay hơi nước gián tiếp (IEC). Những thiết bị kiểu DEC có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo và rất phù hợp với những công trình như xưởng dệt may, các phân xưởng cơ khí rộng, quán cà phê Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của chúng là độ ẩm không khí tăng lên sau khi được xử lý, sẽ ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người, cũng như gây hư hỏng các thiết bị điện. Do đó, thiết bị DEC không phù hợp để thay thế cho các máy điều hòa truyền thống cho các không gian kín, như phòng ngủ hay văn phòng làm việc. Trong khi đó, với thiết bị IEC, có 2 dòng không khí đi vào thiết bị: Một dòng không khí cấp đi trong kênh gió cấp (kênh khô) và dòng không khí thải đi trong kênh thải (kênh ướt). Hai dòng không khí này được ngăn cách bởi 1 vách rắn, không thấm nước. Không khí sau khi được làm lạnh ở kênh khô sẽ được đưa vào không gian điều hòa. Ngược lại, không khí ở kênh ướt sẽ được thải ra ngoài. Rõ ràng, với cùng kích thước và điều kiện vận hành, hiệu quả làm lạnh của thiết bị IEC luôn thấp hơn so với thiết bị DEC. Tuy nhiên, ưu điểm nổi bật của thiết bị IEC là không khí cấp sau khi được làm lạnh có độ ẩm (tuyệt đối) không đổi. Đây là lý do khiến thiết bị IEC được xem là phương án thay thế phù hợp cho các máy điều hòa không khí truyền thống hiện nay. Nhiều nhà khoa học trên thế giới đã và đang tập trung vào nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của thiết bị IEC. Một trong những cải tiến nổi bật là ứng dụng của “chu trình” Maisotsenko vào thiết bị IEC (gọi tắt là M-IEC). Nguyên lý hoạt động của thiết bị M-IEC được thể hiện trong Hình 1. Về cấu tạo, thiết bị M-IEC gần như tương đồng với thiết bị IEC truyền thống. Tuy nhiên, trong thiết bị M-IEC một số kênh gió trong hệ thống các kênh gió cấp được đục lỗ để không khí sau khi được làm lạnh ở kênh khô hồi lưu qua kênh ướt. Nhờ cải tiến này mà giới hạn làm lạnh không khí đầu ra của thiết bị là nhiệt độ đọng sương ứng với trạng thái không khí đầu vào (t2 = t1dp). Chính vì ưu điểm này mà thiết bị M-IEC được đánh giá có tiềm năng rất lớn trong việc thay thế các máy điều hòa không khí truyền thống. Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về tiềm năng của thiết bị M-IEC. Trong đó, Riangvilaikul và các đồng nghiệp [1] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị M-IEC kiểu ngược chiều (chiều chuyển động của không khí cấp và không khí thải ngược chiều nhau), và họ đã công bố hiệu quả nhiệt kế ướt của thiết bị đạt được từ 92% đến 114% (nhiệt độ không khí cấp sau xử lý đã thấp hơn nhiệt độ nhiệt kế ướt không khí đầu vào). Thêm vào đó, Bruno [2] đã có nghiên cứu thực nghiệm về việc ứng dụng thiết bị M-IEC kiểu ngược chiều cho hệ thống điều hòa không khí trong các tòa nhà dân dụng. Ông kết luận rằng thiết bị M-IEC đã hoạt động với hiệu quả nhiệt kế ướt dao động trong khoảng 118-129%, với hệ số sử dụng năng lượng EER rất cao từ 4,9 đến 11,8 (EER = 3,412.COP). Những thiết bị M-IEC này đã giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ từ 52% đến 56% so với các máy điều hòa không khí truyền thống. Trong khi đó, tại Việt Nam vẫn chưa có nghiên cứu nào về việc khai thác tiềm năng của thiết bị M-IEC nhằm ứng dụng cho hệ thống điều hòa không khí. Do đó, trong bài báo này, nhóm tác giả muốn tập trung vào nghiên cứu khả năng thay thế máy điều hòa không khí truyền thống của thiết ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(130).2018 47 bị làm lạnh không khí kiểu bay hơi nước gián tiếp ứng dụng chu trình Maisotsenko (M-IEC) với điều kiện khí hậu miền Trung của Việt Nam. Hình 1. Nguyên lý hoạt động và đồ thị I-d của thiết bị M-IEC [4] 2. Thiết kế, chế tạo mô hình thực nghiệm 2.1. Thiết kế mô hình M-IEC Mô hình thí nghiệm thiết bị M-IEC bao gồm các phần chính sau: Cụm trao đổi nhiệt ẩm (gọi tắt là HMX), quạt thải, quạt cấp, bơm và hệ thống phun sương, bộ lọc nước, các thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm, biến tần, và giá đỡ. Trong đó, cụm HMX được coi là lõi của thiết bị M-IEC. Tại đây diễn ra quá trình làm mát đẳng dung ẩm dòng không khí cấp, và quá trình trao đổi nhiệt ẩm đẳng entanpy ở kênh thải (kênh ướt). HMX bao gồm hai 2 hệ thống kênh gió: Kênh gió cấp (kênh khô) và kênh gió thải (kênh ướt). Tùy thuộc vào chiều chuyển động của không khí cấp và không khí thải, có hai kiểu thiết bị M-IEC: Cắt nhau và ngược chiều. Và, thiết bị M-IEC kiểu ngược chiều có hiệu quả hoạt động tốt hơn cắt nhau khi có cùng kích thước và chế độ hoạt động [3]. Tuy nhiên, kiểu ngược chiều rất khó chế tạo và việc tạo ẩm bề mặt kênh thải phức tạp hơn so với kiểu cắt nhau. Do vậy, trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tập trung vào thiết kế và chế tạo thiết bị M-IEC kiểu cắt nhau. Trong hầu hết các nghiên cứu liên quan về thiết bị M-IEC cho thấy rằng, hiệu quả làm việc của HMX đặc biệt phụ thuộc vào chiều cao và chiều dài các kênh gió. Cụ thể, theo tài liệu tham khảo [4], giá trị tối ưu của các kênh gió là từ 3-5 mm, và chiều dài kênh gió phải thỏa mãn điều kiện L h > 200 (L, h lần lượt là chiều dài và chiều cao kênh gió của HMX). Trong khi đó, theo M. Jradi và S. Riffat [5] chiều cao kênh gió tốt nhất trong khoảng 4 mm đến 7 mm và chiều dài kênh gió lớn hơn 800 mm, để thiết bị M-IEC có thể xử lý không khí thỏa mãn thông số tiện nghi cho không gian điều hòa. Hay, theo Farbod Fakhrabadi và Farshad Kowsary [6] để đảm bảo thiết bị M-IEC hoạt động vừa đảm bảo năng suất lạnh, vừa đảm bảo trở lực dòng không khí trong kênh gió nhỏ thì chiều cao kênh tối ưu từ 4 mm đến 6 mm, và chiều dài kênh gió từ 0,4 m đến 0,6 m. Với mô hình hiện tại, chúng tôi chọn h = 5 mm và L = 1.100 mm, chiều cao và chiều rộng của 1 kênh gió cấp (kênh khô) là 5 mm, chiều cao và chiều rộng của 1 kênh thải (kênh ướt) lần lượt là 5 mm và 30 mm. Chiều cao và chiều rộng tổng thể của cụm HMX lần lượt là 500 mm và 571 mm. Và trong cụm HMX sẽ bao gồm 43 lớp kênh thải và 44 lớp kênh khô. Các thông số cấu tạo cơ bản của cụm HMX được thể hiện ở Bảng 1 sau: Bảng 1. Các thông số cấu tạo cơ bản của cụm HMX Thông số Độ lớn Đơn vị Chiều cao kênh gió cấp 5 mm Chiều rộng kênh gió cấp 5 mm Chiều cao kênh gió thải 5 mm Chiều rộng kênh gió thải 30 mm Chiều dài kênh gió cấp 1.100 mm Chiều dài kênh gió thải 525 mm Chiều dày kênh gió 0,5 mm Như vậy, HMX sẽ được chế tạo gồm các lớp kênh ướt và kênh khô được sắp xếp xen kẽ nhau. Các lớp kênh được tạo thành bởi các tấm nhựa, riêng phần kênh thải được phủ vải 100% cotton để đảm bảo bề mặt kênh thải luôn ẩm. Trên bề mặt kênh thải có gắn các đường gân, chiều cao đường gân là 5 mm. Các tấm sẽ đặt chồng lên những đường gân đó và cố định bằng keo, khi đấy hai phần phủ vải sẽ đối nhau cùng với các đường gân tạo thành kênh ướt. Gió cấp đi bên trong tấm (kênh khô) và gió thải đi ngoài tấm (kênh thải) sẽ cắt nhau (90°). Trong hệ thống các kênh gió cấp, 20 kênh được chọn để đục lỗ có tiết diện tròn với đường kính khoảng 3 mm. Việc đục lỗ này giúp gió sau khi được làm lạnh sơ bộ ở kênh cấp được hồi lưu qua các kênh thải. 2.2. Mô hình chế tạo thực tế Sau bước phân tích, thiết kế thiết bị, nhóm tác giả đã tiến hành chế tạo hoàn chỉnh thiết bị làm lạnh không khí kiểu bay hơi nước gián tiếp (M-IEC) tại xưởng Nhiệt, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng. Hình 2 thể hiện thiết bị M-IEC thực tế sau khi được chế tạo. Hình 2. Hình ảnh thực tế mô hình thiết bị M-IEC 3. Tiến hành thí nghiệm và phân tích số liệu 3.1. Tiến hành thí nghiệm Để đánh giá hiệu quả hoạt động của mô hình thiết bị, hai hướng thí nghiệm đã được nhóm tác giả tiến hành. Hướng thứ nhất, 12 thí nghiệm (Bảng 2) được tiến hành khi các thông số trạng thái không khí đầu vào thiết bị thay đổi, trong khi tỷ lệ 48 Ngô Phi Mạnh, Đinh Minh Hiển gió cấp trên gió thải giữ không đổi (r ≈ 23,1%). Bảng 2. 12 thí nghiệm với các thông số trạng thái không khí đầu vào thay đổi Lần đo Không khí đầu vào Không khí cấp Không khí thải Nhiệt độ (°C) Độ ẩm tương đối (%) Nhiệt độ (°C) Độ ẩm tương đối (%) Dung ẩm (g/kgkkk) Lưu lượng (m3/h) Nhiệt độ (°C) Độ ẩm tương đối (%) 1 33,2 52 26,3 58 14,6 1.068 34,3 61 2 32,8 52 26,6 60 14,7 1.221 33,6 62 3 32,7 52 26,6 60 14,8 1.068 33,8 61 4 32,4 54 26,6 61 15,0 1.221 33,7 63 5 32,9 53 27,1 60 15,2 1.068 33,9 61 6 32,5 54 27,4 60 15,3 1.221 33,3 64 7 31,9 56 27,3 62 15,5 1.348 32,6 65 8 31,9 56 27,8 63 15,7 1.384 32,6 66 9 32,4 55 27,5 62 15,7 1.348 33,1 65 10 32,3 55 27,7 62 15,7 1.348 33,2 64 11 31,9 56 27,9 62 15,7 1.384 32,6 66 12 31,9 56 28,2 62 15,9 1.384 32,8 66 Hướng thứ hai, 07 thí nghiệm (Bảng 3) được tiến hành khi các thông số trạng thái không khí đầu vào thiết bị được giữ không đổi, trong khi tỷ lệ gió thải trên gió cấp thay đổi từ 14,2% đến 33,3%. Tỷ lệ gió thải trên gió cấp, kí hiệu là r, được định nghĩa là tỷ số giữa lưu lượng thể tích của gió thải và lưu lượng thể tích của gió cấp: 𝑟 = 𝑉𝑡 𝑉𝑐 (1) Vt (m3/h) là lưu lượng thể tích của gió thải, Vc (m3/h) là lưu lượng thể tích của gió cấp. Bằng cách điều chỉnh lưu lượng của 2 quạt gió cấp và gió thải, chúng ta có thể thay đổi được tỷ lệ r. 3.2. Phân tích kết quả thí nghiệm 3.2.1. Các chỉ số đánh giá hiệu quả thiết bị Hiệu quả của thiết bị làm mát không khí có thể được thể hiện bằng hiệu suất nhiệt độ bầu ướt “ɛwb”, với ɛwb tính theo công thức sau: ɛ𝑤𝑏 = 𝑡1−𝑡2 𝑡1−𝑡𝑤1 (2) Bảng 3. 07 thí nghiệm với các tỷ lệ gió thải trên gió cấp thay đổi Lần đo Không khí đầu vào Không khí cấp Không khí thải Nhiệt độ (°C) Độ ẩm tương đối (%) Nhiệt độ (°C) Dung ẩm (g/kgkkk) Lưu lượng (m3/h) Lưu lượng (m3/h) Nhiệt độ (°C) Độ ẩm tương đối (%) 1 32,9 62 29,7 19.12 1.577 224 35,1 72 2 32,4 64 29,3 19.21 1.475 222 35 74 3 32,8 62 29,3 19.01 1.348 222 35,5 72 4 32,8 64 28,4 19.1 1.221 220 34,6 75 5 32,3 62 28,1 18.08 1.068 219 34,1 74 6 32,3 62 27,8 17.68 865 226 34 74 7 31,9 63 27,8 17.27 712 237 34 76 Trong đó, t1, t2, tw1 lần lượt là nhiệt độ không khí đầu vào, nhiệt độ không khí cấp và nhiệt độ bầu ướt ứng với thông số trạng thái không khí đầu vào. Giá trị ɛ𝑤𝑏 càng lớn thì nhiệt độ không khí sau xử lý càng thấp và ngược lại. Hệ số hiệu quả sử dụng năng lượng COP: Là tỉ số giữa năng suất lạnh đạt được của thiết bị và điện năng tiêu tốn tương ứng, và được tính theo công thức sau: COP = 𝑄0 𝑊𝑒 (3) Trong đó, Q0 (kW) là năng suất lạnh và We (kW) là điện năng tiêu thụ của mô hình thiết bị. Năng suất làm lạnh Q0 của thiết bị được tính theo công thức sau: Q0 = Gk.(I1-I2), kW (4) Trong đó, Gk (kgkkk/s) là lưu lượng không khí cấp (khô). I1, I2 (kJ/kgkkk) lần lượt là entanpi của không khí (cấp) vào và ra khỏi thiết bị. Chỉ tiêu cuối cùng là nhiệt độ không khí cấp sau khi xử lý bởi thiết bị, ký hiệu t2. Cùng với độ ẩm tương đối của không khí, nhiệt độ nhiệt kế không khí t2 giúp kiểm tra trạng thái không khí cấp đầu ra của thiết bị có đáp ứng được nhu cầu tiện nghi của không gian điều hòa theo tiêu chuẩn của Việt Nam hay không. 3.2.2. Ảnh hưởng của trạng thái không khí đầu vào Từ số liệu của Bảng 2, ta có thể dễ dàng nhận thấy rằng khi không khí đầu vào có dung ẩm càng nhỏ (không khí càng khô) thì năng suất lạnh, hệ số hiệu quả làm lạnh COP, và hiệu suất nhiệt độ bầu ướt, và độ giảm nhiệt độ không khí càng lớn. Trong khi đó, nhiệt độ không khí cấp sau xử lý sẽ càng nhỏ. Hình 3. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của dung ẩm không khí cấp đến nhiệt độ không khí cấp sau xử lý và độ giảm nhiệt độ không khí cấp Ở Hình 3, có thể nhận thấy nhiệt độ không khí cấp giảm dần khi dung ẩm tăng dần. Trong khi đó, sự thay đổi của độ giảm nhiệt độ không khí cấp thì theo chiều hướng ngược lại, giảm xuống khi dung ẩm tăng lên. Trong phạm vi số liệu thực nghiệm ở Bảng 2, nhiệt độ không khí cấp thấp nhất thiết bị có thể tạo ra là 26,3°C (ứng với dung ẩm thấp nhất 14,61 gẩm/kgkkk) và cao nhất là 28,2°C (ứng với dung ẩm cao nhất 15,87 gẩm/kgkkk). Theo Tiêu chuẩn Việt Nam về thông gió và điều hòa không khí TCVN 5687-2010, không khí cấp sau xử lý từ thí nghiệm 1 đến 11 trong Bảng 2 thỏa mãn điều kiện tiện nghi nhiệt cho trạng thái nghỉ ngơi tĩnh tại như đọc báo, đọc sách, làm việc bàn giấy... (nhiệt độ nhiệt kế khô từ 20°C ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(130).2018 49 đến 2°C, độ ẩm tương đối 60-70%). Theo Hình 4, năng suất lạnh và hệ số COP giảm dần khi dung ẩm không khí cấp tăng dần. Cụ thể, năng suất lạnh giảm dần từ 2,47 kW xuống 1,7 kW; Hệ số COP giảm từ 29 xuống 18. Đặc biệt, khi dung ẩm có giá trị 14,73 gẩm/kgkkk năng suất lạnh lớn nhất 2,47 kW (8.430 Btu/h) và hệ số COP tương ứng có giá trị lớn nhất 29. Với chỉ số COP này, điện năng tiêu thụ của mô hình thiết bị rất nhỏ, chỉ khoảng 85 W. 3.2.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ gió thải trên gió cấp r Dựa vào kết quả các thí nghiệm trong Bảng 3, nhóm tác giả đã tiến hành tính toán, phân tích và đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ r đến hiệu quả của thiết bị thông qua 4 chỉ tiêu: Năng suất lạnh (Q0), hiệu suất nhiệt độ bầu ướt (ɛwb); hệ số hiệu quả làm lạnh (COP) và nhiệt độ đầu ra của không khí cấp. Theo Hình 5, có thể thấy rằng khi tỷ lệ r tăng dần từ 15% đến 33,3% thì hiệu suất nhiệt độ bầu ướt tăng dần từ 39% đến 67%. Trong khi đó, năng suất lạnh hầu như ít ảnh hưởng khi tỷ lệ r thay đổi trong khoảng từ 14,2% đến 16,4%, với giá trị trung bình khoảng 1,55 kW. Khi r = 18,1%, thiết bị có năng suất lạnh cực đại là 1,7 kW. Tuy nhiên, khi tỷ lệ r tiếp tục tăng (r >18,1%), thì năng suất lạnh giảm dần, và đạt giá trị nhỏ nhất 1,0 kW khi r = 33,3%. Việc năng suất lạnh máy giảm khi tăng r dù ɛwb tăng có thể giải thích như sau. Tuy rằng, khi ɛwb tăng (hay nhiệt độ không khí sau xử lý giảm) sẽ làm tăng độ chênh entanpy không khí cấp (I1-I2), nhưng đồng thời lượng gió cấp (Gk) sẽ giảm xuống nhanh khi r tăng. Do đó, năng suất lạnh Q0 giảm. Hình 4. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của dung ẩm không khí đến năng suất lạnh và hệ số hiệu quả làm lạnh COP Hình 5. Biểu đồ biểu diễn sự ảnh hưởng của tỷ lệ r đến năng suất lạnh và hiệu suất nhiệt kế ướt Hình 6 thể hiện sự thay đổi của nhiệt độ không khí cấp và độ giảm nhiệt độ không khí cấp theo tỷ lệ r. Dễ dàng nhận thấy rằng, chiều hướng thay đổi của 2 thông số này ngược nhau khi r tăng. Trong đó, nhiệt độ không khí cấp giảm từ 29,7°C xuống 27,8°C, và độ giảm nhiệt tăng từ 3,2°C đến trên 4°C, khi r tăng từ 14,2% đến 33,3%. Như vậy, để làm giảm nhiệt độ không khí cấp cần tăng tỷ lệ r. Trong 7 bài thí nghiệm ở Bảng 3, chỉ có các thí nghiệm thứ 6, 7 đảm bảo được thông số không khí cấp sau xử lý thỏa mãn thông số tiện nghi trong không gian điều hòa theo TCVN 5687-2010, cho trạng thái nghỉ ngơi tĩnh tại. Tuy nhiên, như đã phân tích ở trên, việc tăng r sẽ làm giảm năng suất lạnh của máy. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng r (>18,1%), hệ số COP giảm xuống, và đạt giá trị 14 ứng với tỷ lệ r = 33,3%. Và kết hợp với phân tích ở trên, để mô hình thiết bị M-IEC hoạt động hiệu quả nhất thì phải chọn giá trị r tối ưu. Có nghĩa là, với tỷ lệ r tối ưu này sẽ đảm bảo mô hình vận hành với năng suất lạnh cao nhất, điện năng tiêu tốn thấp nhất, và vừa đảm bảo thông số không khí cấp thỏa mãn yêu cầu tiện nghi của không gian điều hòa. Hình 6. Biểu đồ biểu diễn sự ảnh hưởng của tỷ lệ r đến nhiệt độ không khí sau xử lý và độ giảm nhiệt độ không khí cấp Cuối cùng, nhóm tác giả tiến hành phân tích ảnh hưởng của hệ số COP theo tỷ lệ r, được thể hiện ở Hình 7. Nhìn chung, hệ số COP của thiết bị rất cao, dao động từ 13 đến 20 (so với của máy điều hòa không khí chỉ từ 2 đến 4). Hệ số này càng cao thì thiết bị sẽ hoạt động với tiêu tốn điện năng càng thấp. Khi tỷ lệ r tăng từ 14,2% đến 18,1%, COP tăng dần và đạt cực đại bằng 20 ứng với r = 18,1%. Hình 7. Biểu đồ biểu diễn sự ảnh hưởng của tỷ lệ r đến hệ số COP 4. Kết luận Từ những phân tích về kết quả thí nghiệm ở trên, nhóm tác giả rút ra các kết luận sau: Thứ nhất, cũng như các thiết bị làm lạnh kiểu bay hơi nước truyền thống (DEC và IEC), hiệu quả làm việc của mô hình thiết bị M-IEC ảnh hưởng rất lớn bởi trạng thái không khí đầu vào, cụ thể là độ ẩm (tuyệt đối) của không khí. Trong 19 thí 50 Ngô Phi Mạnh, Đinh Minh Hiển nghiệm trên, ở trạng thái không khí có dung ẩm thấp nhất (khô nhất) là 14,6 gẩm/kgKKK, cả 4 chỉ tiêu nhóm tác giả dùng để đánh giá hiệu quả của thiết bị đều có giá trị tốt nhất (Q0 = 2,4 kW; t2 = 26,3°C; COP = 29; 𝜀𝑤𝑏= 85%). Ngược lại, trạng thái không khí đầu vào thiết bị ở lần đo thứ 2, thuộc Bảng 3 có dung ẩm lớn nhất là 19,21 gẩm/kgKKK, cả 4 chỉ tiêu đánh giá hiệu quả thiết bị đều không tốt. Thứ hai, khi xét đến sự ảnh hưởng của tỷ lệ hòa trộn giữa không khí thải trên không khí cấp r, nhóm tác giả nhận thấy rằng khi tỷ lệ r tăng, thì nhiệt độ không khí cấp sau xử lý t2 càng thấp, hiệu suất 𝜀𝑊𝐵 càng tăng. Trong khi đó, năng suất lạnh Q0 và hệ số COP của thiết bị, ban đầu, sẽ tăng lên đến giá trị cực đại rồi sau đó sẽ giảm xuống khi r tiếp tục tăng lên. Trong phạm vị số liệu thực nghiệm này, để thiết bị M-IEC hoạt động với hiệu quả cao nhất thì tỷ lệ r phải nên nằm trong khoảng tối ưu 18% đến 20%. Trong khi đó, với các nghiên cứu khác trên thế giới tỷ lệ tối ưu này phải trên 30% [6, 7]. Do đó, để đánh giá được chính xác ảnh hưởng của tỷ lệ hòa trộn r đến hiệu quả làm việc thiết bị M-IEC hiện tại, cần tiến hành thêm nhiều thí nghiệm trong thời gian tới. Cuối cùng, với điều kiện khí hậu thí nghiệm thực tế tại thành phố Đà Nẵng trong tháng 5 năm 2018, mô hình thiết bị M-IEC đã vận hành với năng suất lạnh dao động từ 1,67 ÷ 2,47 kW (5.700 – 8.400 Btu/h); với hệ số hiệu quả làm lạnh (COP) rất cao (từ 13 đến 29), tương ứng điện năng tiêu thụ rất thấp chỉ từ 80 W đến 90 W; và hiệu suất nhiệt độ bầu ướt lớn nhất là 85%. Đồng thời, khi dung ẩm không khí cấp d ≤ 18,9 gẩm/kgKKK, có 13 trạng thái không khí sau xử lý bởi thiết bị (11 thí nghiệm ở Bảng 2 và 2 thí nghiệm ở Bảng 3) thỏa mãn điều kiện tiện nghi cho không gian điều hòa theo tiêu chuẩn TCVN 5687-2010. Từ các kết quả trên, nhóm tác giả tin rằng việc ứng dụng thiết bị M-IEC vào điều kiện khí hậu miền Trung, Việt Nam nhằm thay thế cho các máy điều hòa không khí truyền thống là hoàn toàn khả thi. Lời cảm ơn: Bài báo này được tài trợ bởi Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng với đề tài có mã số T2018-02-12. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Riangvilaikul B, Kumar S, “An Experimental Study of A Novel Dew Point Evaporative Cooling System”, Energy Build, 42(5), 2010, pp. 637-644. [2] Bruno F, “On-site Experimental Testing of A Novel Dew Point Evaporative Cooler”, Energy Build, 43(12), 2011, pp. 3475-3483. [3] Zhan C, et al., “Comparative Study of The Performance of The M- cycle Counter-flow and Cross-flow Heat Exchangers for Indirect Evaporative Cooling – Paving The Path Toward Sustainable Cooling of Buildings”, Energy, 36(12), 2011, pp. 6790-6805. [4] Muhammad H. Mahmood, Muhammad Sultan, Takahiko Miyazaki, Shigeru Koyama, Valerity S.Maisotsenko, “Overview of The Maisotsenko Cycle – A Way Towards Dew Point Evaporative Cooling”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 66, 2016, pp. 537-555. [5] M. Jradi, S. Riffat, “Experimental and Numerical Investigation of A Dew-point Cooling System for Thermal Comfort in Buildings”, Applied Energy, 132, 2014, pp. 524-535. [6] Farbod Fakhrabadi, Farshad Kowsary, “Optimal Design of A Regenerative Heat and Mass Exchanger for Indirect Evaporative Cooling”, Applied Thermal Engineering, 102, 2016, pp. 1384-1394. [7] Guo X C, Zhao T S, “A Parametric Study of An Indirect Evaporative Air Cooler”, International Communications in Heat and Mass Transfer, 25(2), 1998, pp. 217-226. (BBT nhận bài: 16/8/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 29/8/2018)
File đính kèm:
- nghien_cuu_thuc_nghiem_ve_thiet_bi_lam_lanh_khong_khi_kieu_b.pdf