Nghiên cứu thực nghiệm về thiết bị làm lạnh không khí kiểu bay hơi nước gián tiếp ứng dụng chu trình Maisotsenko (M-ICE)

Ngô Phi Mạnh, Đinh Minh Hiển<br /> <br /> 46<br /> <br /> NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ THIẾT BỊ LÀM LẠNH KHÔNG KHÍ KIỂU<br /> BAY HƠI NƯỚC GIÁN TIẾP ỨNG DỤNG CHU TRÌNH MAISOTSENKO (M-IEC)<br /> EXPERIMENTAL RESEARCH ON THE INDIRECT EVAPORATIVE COOLER APPLYING<br /> THE MAISOTSENKO CYCLE (M-IEC)<br /> Ngô Phi Mạnh1, Đinh Minh Hiển2<br /> 1<br /> Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; npmanh@dut.udn.vn<br /> 2<br /> Sinh viên Lớp 13NL - Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng<br /> Tóm tắt - Bài báo này tập trung nghiên cứu tính hiệu quả, và khả năng<br /> ứng dụng của thiết bị làm lạnh không khí kiểu bay hơi nước gián tiếp<br /> ứng dụng chu trình Maisotsenko (gọi tắt là M-IEC) nhằm thay thế cho<br /> các máy điều hòa không khí truyền thống đang sử dụng trong các khu<br /> vực dân dụng như trường học, nhà hàng, các công trình công cộng<br /> với điều kiện khí hậu Việt Nam. Một mô hình thiết bị M-IEC đã được<br /> thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh. Tiếp đến, 19 thí nghiệm đã được tiến<br /> hành trên mô hình thiết bị ứng với điều kiện khí hậu tại thành phố (TP)<br /> Đà Nẵng, Việt Nam. Từ kết quả thực nghiệm, nhóm tác giả đã tính<br /> toán, phân tích và đánh giá hiệu quả hoạt động thực tế của thiết bị dựa<br /> vào 4 chỉ tiêu là năng suất lạnh, hệ số làm lạnh (COP), hiệu suất nhiệt<br /> độ bầu ướt, và nhiệt độ không khí sau khi xử lý.<br /> <br /> Abstract - This paper focuses on the effectiveness, and<br /> applicability of an indirect evaporative cooler which applies the<br /> Maisotsenko cycle (M-IEC) in order to replace the conventional airconditioners being used in civil areas such as schools, restaurants,<br /> public areas in Vietnam. Firstly, An M-IEC model has been<br /> designed and manufactured. Secondly, 19 experiments in total are<br /> conducted on the current model under climate conditions in<br /> Danang city, Vietnam. And finally, from the experimental results,<br /> the authors have calculated, analyzed and evaluated the efficiency<br /> of the equipment based on four criteria: cooling capacity, coefficient<br /> of performance (COP), the wet-bulb effectiveness, and outlet air<br /> temperature.<br /> <br /> Từ khóa - M-IEC; điều hòa không khí kiểu truyền thống; năng suất<br /> lạnh; hệ số làm lạnh; hiệu quả làm lạnh (COP); nhiệt độ không khí.<br /> <br /> Key words - M-IEC; conventional air conditioners; cooling<br /> capacity; coefficient of performance (COP); outlet air temperature.<br /> <br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Hiện nay, với mục tiêu tìm ra các giải pháp làm lạnh<br /> không khí mới nhằm thay thế cho các máy điều hòa không<br /> khí truyền thống, các nhà khoa học trên thế giới đang tập<br /> trung vào hướng nghiên cứu nâng cao hiệu quả làm việc của<br /> thiết bị làm lạnh không khí kiểu bay hơi nước - vốn đã xuất<br /> hiện rất lâu, rất dễ chế tạo, chi phí đầu tư ban đầu thấp, vận<br /> hành đơn giản, điện năng tiêu thụ thấp, và rất thân thiện với<br /> môi trường vì môi chất sử dụng chỉ là nước và không khí.<br /> Có hai kiểu thiết bị làm lạnh không khí theo phương pháp<br /> bay hơi nước: Thiết bị làm lạnh không khí kiểu bay hơi nước<br /> trực tiếp (DEC) và thiết bị làm lạnh không khí kiểu bay hơi<br /> nước gián tiếp (IEC). Những thiết bị kiểu DEC có cấu tạo<br /> đơn giản, dễ chế tạo và rất phù hợp với những công trình như<br /> xưởng dệt may, các phân xưởng cơ khí rộng, quán cà phê…<br /> Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của chúng là độ ẩm không<br /> khí tăng lên sau khi được xử lý, sẽ ảnh hưởng không tốt đến<br /> sức khỏe con người, cũng như gây hư hỏng các thiết bị điện.<br /> Do đó, thiết bị DEC không phù hợp để thay thế cho các máy<br /> điều hòa truyền thống cho các không gian kín, như phòng<br /> ngủ hay văn phòng làm việc. Trong khi đó, với thiết bị IEC,<br /> có 2 dòng không khí đi vào thiết bị: Một dòng không khí cấp<br /> đi trong kênh gió cấp (kênh khô) và dòng không khí thải đi<br /> trong kênh thải (kênh ướt). Hai dòng không khí này được<br /> ngăn cách bởi 1 vách rắn, không thấm nước. Không khí sau<br /> khi được làm lạnh ở kênh khô sẽ được đưa vào không gian<br /> điều hòa. Ngược lại, không khí ở kênh ướt sẽ được thải ra<br /> ngoài. Rõ ràng, với cùng kích thước và điều kiện vận hành,<br /> hiệu quả làm lạnh của thiết bị IEC luôn thấp hơn so với thiết<br /> bị DEC. Tuy nhiên, ưu điểm nổi bật của thiết bị IEC là không<br /> khí cấp sau khi được làm lạnh có độ ẩm (tuyệt đối) không<br /> đổi. Đây là lý do khiến thiết bị IEC được xem là phương án<br /> thay thế phù hợp cho các máy điều hòa không khí truyền<br /> thống hiện nay. Nhiều nhà khoa học trên thế giới đã và đang<br /> <br /> tập trung vào nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động<br /> của thiết bị IEC. Một trong những cải tiến nổi bật là ứng<br /> dụng của “chu trình” Maisotsenko vào thiết bị IEC (gọi tắt<br /> là M-IEC). Nguyên lý hoạt động của thiết bị M-IEC được<br /> thể hiện trong Hình 1. Về cấu tạo, thiết bị M-IEC gần như<br /> tương đồng với thiết bị IEC truyền thống. Tuy nhiên, trong<br /> thiết bị M-IEC một số kênh gió trong hệ thống các kênh gió<br /> cấp được đục lỗ để không khí sau khi được làm lạnh ở kênh<br /> khô hồi lưu qua kênh ướt. Nhờ cải tiến này mà giới hạn làm<br /> lạnh không khí đầu ra của thiết bị là nhiệt độ đọng sương<br /> ứng với trạng thái không khí đầu vào (t2 = t1dp). Chính vì ưu<br /> điểm này mà thiết bị M-IEC được đánh giá có tiềm năng rất<br /> lớn trong việc thay thế các máy điều hòa không khí truyền<br /> thống. Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về<br /> tiềm năng của thiết bị M-IEC. Trong đó, Riangvilaikul và<br /> các đồng nghiệp [1] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm<br /> trên thiết bị M-IEC kiểu ngược chiều (chiều chuyển động<br /> của không khí cấp và không khí thải ngược chiều nhau), và<br /> họ đã công bố hiệu quả nhiệt kế ướt của thiết bị đạt được từ<br /> 92% đến 114% (nhiệt độ không khí cấp sau xử lý đã thấp<br /> hơn nhiệt độ nhiệt kế ướt không khí đầu vào). Thêm vào đó,<br /> Bruno [2] đã có nghiên cứu thực nghiệm về việc ứng dụng<br /> thiết bị M-IEC kiểu ngược chiều cho hệ thống điều hòa<br /> không khí trong các tòa nhà dân dụng. Ông kết luận rằng<br /> thiết bị M-IEC đã hoạt động với hiệu quả nhiệt kế ướt dao<br /> động trong khoảng 118-129%, với hệ số sử dụng năng lượng<br /> EER rất cao từ 4,9 đến 11,8 (EER = 3,412.COP). Những<br /> thiết bị M-IEC này đã giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ từ<br /> 52% đến 56% so với các máy điều hòa không khí truyền<br /> thống. Trong khi đó, tại Việt Nam vẫn chưa có nghiên cứu<br /> nào về việc khai thác tiềm năng của thiết bị M-IEC nhằm<br /> ứng dụng cho hệ thống điều hòa không khí. Do đó, trong bài<br /> báo này, nhóm tác giả muốn tập trung vào nghiên cứu khả<br /> năng thay thế máy điều hòa không khí truyền thống của thiết<br /> <br /> ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(130).2018<br /> <br /> bị làm lạnh không khí kiểu bay hơi nước gián tiếp ứng dụng<br /> chu trình Maisotsenko (M-IEC) với điều kiện khí hậu miền<br /> Trung của Việt Nam.<br /> <br /> 47<br /> <br /> Fakhrabadi và Farshad Kowsary [6] để đảm bảo thiết bị<br /> M-IEC hoạt động vừa đảm bảo năng suất lạnh, vừa đảm<br /> bảo trở lực dòng không khí trong kênh gió nhỏ thì chiều<br /> cao kênh tối ưu từ 4 mm đến 6 mm, và chiều dài kênh gió<br /> từ 0,4 m đến 0,6 m. Với mô hình hiện tại, chúng tôi chọn<br /> h = 5 mm và L = 1.100 mm, chiều cao và chiều rộng của 1<br /> kênh gió cấp (kênh khô) là 5 mm, chiều cao và chiều rộng<br /> của 1 kênh thải (kênh ướt) lần lượt là 5 mm và 30 mm.<br /> Chiều cao và chiều rộng tổng thể của cụm HMX lần lượt là<br /> 500 mm và 571 mm. Và trong cụm HMX sẽ bao gồm<br /> 43 lớp kênh thải và 44 lớp kênh khô. Các thông số cấu tạo<br /> cơ bản của cụm HMX được thể hiện ở Bảng 1 sau:<br /> Bảng 1. Các thông số cấu tạo cơ bản của cụm HMX<br /> Thông số<br /> Độ lớn<br /> Đơn vị<br /> <br /> Hình 1. Nguyên lý hoạt động và đồ thị I-d của<br /> thiết bị M-IEC [4]<br /> <br /> 2. Thiết kế, chế tạo mô hình thực nghiệm<br /> 2.1. Thiết kế mô hình M-IEC<br /> Mô hình thí nghiệm thiết bị M-IEC bao gồm các phần<br /> chính sau: Cụm trao đổi nhiệt ẩm (gọi tắt là HMX), quạt<br /> thải, quạt cấp, bơm và hệ thống phun sương, bộ lọc nước,<br /> các thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm, biến tần, và giá đỡ.<br /> Trong đó, cụm HMX được coi là lõi của thiết bị M-IEC.<br /> Tại đây diễn ra quá trình làm mát đẳng dung ẩm dòng không<br /> khí cấp, và quá trình trao đổi nhiệt ẩm đẳng entanpy ở kênh<br /> thải (kênh ướt). HMX bao gồm hai 2 hệ thống kênh gió:<br /> Kênh gió cấp (kênh khô) và kênh gió thải (kênh ướt). Tùy<br /> thuộc vào chiều chuyển động của không khí cấp và không<br /> khí thải, có hai kiểu thiết bị M-IEC: Cắt nhau và ngược<br /> chiều. Và, thiết bị M-IEC kiểu ngược chiều có hiệu quả hoạt<br /> động tốt hơn cắt nhau khi có cùng kích thước và chế độ hoạt<br /> động [3]. Tuy nhiên, kiểu ngược chiều rất khó chế tạo và<br /> việc tạo ẩm bề mặt kênh thải phức tạp hơn so với kiểu cắt<br /> nhau. Do vậy, trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tập trung<br /> vào thiết kế và chế tạo thiết bị M-IEC kiểu cắt nhau.<br /> Trong hầu hết các nghiên cứu liên quan về thiết bị<br /> M-IEC cho thấy rằng, hiệu quả làm việc của HMX đặc biệt<br /> phụ thuộc vào chiều cao và chiều dài các kênh gió. Cụ thể,<br /> theo tài liệu tham khảo [4], giá trị tối ưu của các kênh gió<br /> là từ 3-5 mm, và chiều dài kênh gió phải thỏa mãn điều<br /> L<br /> kiện > 200 (L, h lần lượt là chiều dài và chiều cao kênh<br /> h<br /> gió của HMX). Trong khi đó, theo M. Jradi và S. Riffat [5]<br /> chiều cao kênh gió tốt nhất trong khoảng<br /> 4 mm đến 7 mm và chiều dài kênh gió lớn hơn 800 mm, để<br /> thiết bị M-IEC có thể xử lý không khí thỏa mãn thông số<br /> tiện nghi cho không gian điều hòa. Hay, theo Farbod<br /> <br /> Chiều cao kênh gió cấp<br /> <br /> 5<br /> <br /> Chiều rộng kênh gió cấp<br /> <br /> 5<br /> <br /> mm<br /> mm<br /> <br /> Chiều cao kênh gió thải<br /> <br /> 5<br /> <br /> mm<br /> <br /> Chiều rộng kênh gió thải<br /> <br /> 30<br /> <br /> mm<br /> <br /> Chiều dài kênh gió cấp<br /> <br /> 1.100<br /> <br /> mm<br /> <br /> Chiều dài kênh gió thải<br /> <br /> 525<br /> <br /> mm<br /> <br /> Chiều dày kênh gió<br /> <br /> 0,5<br /> <br /> mm<br /> <br /> Như vậy, HMX sẽ được chế tạo gồm các lớp kênh ướt và<br /> kênh khô được sắp xếp xen kẽ nhau. Các lớp kênh được tạo<br /> thành bởi các tấm nhựa, riêng phần kênh thải được phủ vải<br /> 100% cotton để đảm bảo bề mặt kênh thải luôn ẩm. Trên bề<br /> mặt kênh thải có gắn các đường gân, chiều cao đường gân là<br /> 5 mm. Các tấm sẽ đặt chồng lên những đường gân đó và cố<br /> định bằng keo, khi đấy hai phần phủ vải sẽ đối nhau cùng<br /> với các đường gân tạo thành kênh ướt. Gió cấp đi bên trong<br /> tấm (kênh khô) và gió thải đi ngoài tấm (kênh thải) sẽ cắt<br /> nhau (90°). Trong hệ thống các kênh gió cấp, 20 kênh được<br /> chọn để đục lỗ có tiết diện tròn với đường kính khoảng 3<br /> mm. Việc đục lỗ này giúp gió sau khi được làm lạnh sơ bộ ở<br /> kênh cấp được hồi lưu qua các kênh thải.<br /> 2.2. Mô hình chế tạo thực tế<br /> Sau bước phân tích, thiết kế thiết bị, nhóm tác giả đã<br /> tiến hành chế tạo hoàn chỉnh thiết bị làm lạnh không khí<br /> kiểu bay hơi nước gián tiếp (M-IEC) tại xưởng Nhiệt,<br /> Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng. Hình 2 thể<br /> hiện thiết bị M-IEC thực tế sau khi được chế tạo.<br /> <br /> Hình 2. Hình ảnh thực tế mô hình thiết bị M-IEC<br /> <br /> 3. Tiến hành thí nghiệm và phân tích số liệu<br /> 3.1. Tiến hành thí nghiệm<br /> Để đánh giá hiệu quả hoạt động của mô hình thiết bị, hai<br /> hướng thí nghiệm đã được nhóm tác giả tiến hành. Hướng thứ<br /> nhất, 12 thí nghiệm (Bảng 2) được tiến hành khi các thông số<br /> trạng thái không khí đầu vào thiết bị thay đổi, trong khi tỷ lệ<br /> <br /> Ngô Phi Mạnh, Đinh Minh Hiển<br /> <br /> 48<br /> <br /> gió cấp trên gió thải giữ không đổi (r ≈ 23,1%).<br /> Bảng 2. 12 thí nghiệm với các thông số trạng thái<br /> không khí đầu vào thay đổi<br /> <br /> Lần<br /> đo<br /> <br /> 1<br /> 2<br /> 3<br /> 4<br /> 5<br /> 6<br /> 7<br /> 8<br /> 9<br /> 10<br /> 11<br /> 12<br /> <br /> Không khí<br /> đầu vào<br /> Độ<br /> Nhiệt ẩm<br /> độ tương<br /> (°C) đối<br /> (%)<br /> 33,2 52<br /> 32,8 52<br /> 32,7 52<br /> 32,4 54<br /> 32,9 53<br /> 32,5 54<br /> 31,9 56<br /> 31,9 56<br /> 32,4 55<br /> 32,3 55<br /> 31,9 56<br /> 31,9 56<br /> <br /> Không khí<br /> thải<br /> Độ<br /> Độ<br /> ẩm<br /> Lưu Nhiệt ẩm<br /> Dung ẩm<br /> tương<br /> lượng<br /> độ tương<br /> (g/kgkkk)<br /> đối<br /> (m3/h) (°C) đối<br /> (%)<br /> (%)<br /> 58<br /> 14,6<br /> 1.068 34,3 61<br /> 60<br /> 14,7<br /> 1.221 33,6 62<br /> 60<br /> 14,8<br /> 1.068 33,8 61<br /> 61<br /> 15,0<br /> 1.221 33,7 63<br /> 60<br /> 15,2<br /> 1.068 33,9 61<br /> 60<br /> 15,3<br /> 1.221 33,3 64<br /> 62<br /> 15,5<br /> 1.348 32,6 65<br /> 63<br /> 15,7<br /> 1.384 32,6 66<br /> 62<br /> 15,7<br /> 1.348 33,1 65<br /> 62<br /> 15,7<br /> 1.348 33,2 64<br /> 62<br /> 15,7<br /> 1.384 32,6 66<br /> 62<br /> 15,9<br /> 1.384 32,8 66<br /> Không khí cấp<br /> <br /> Nhiệt<br /> độ<br /> (°C)<br /> 26,3<br /> 26,6<br /> 26,6<br /> 26,6<br /> 27,1<br /> 27,4<br /> 27,3<br /> 27,8<br /> 27,5<br /> 27,7<br /> 27,9<br /> 28,2<br /> <br /> Hướng thứ hai, 07 thí nghiệm (Bảng 3) được tiến hành<br /> khi các thông số trạng thái không khí đầu vào thiết bị được<br /> giữ không đổi, trong khi tỷ lệ gió thải trên gió cấp thay đổi<br /> từ 14,2% đến 33,3%.<br /> Tỷ lệ gió thải trên gió cấp, kí hiệu là r, được định nghĩa<br /> là tỷ số giữa lưu lượng thể tích của gió thải và lưu lượng<br /> thể tích của gió cấp:<br />