Nghiên cứu bơm nhiệt với hệ thống lạnh sử dụng chu trình Rankine hữu cơ

a toàn hệ thống: 
s orc vcrCOP COP= (16) 
Chọn thông số làm việc：Nhiệt độ ở thiết bị sinh hơi 
55℃～95℃. Nhiệt độ ngưng tụ 35℃, 40℃, 45℃ và 50℃. 
nhiệt độ bay hơi 1℃～7℃. Máy dãn nở. máy nén lạnh, bơm 
môi chất với hiệu suất đẳng enthalpy lần lượt là 0,85, 0,80 và 
0,90. Nhiệt lượng cung cấp cho thiết bị sinh hơi là Pb = 2kW. 
Chọn các môi chất tính toán: R22, R600, R601, R123. 
R1234ze, R134a, R152a, R227ea, R245fa, R717, Rượu, 
R718. Dùng phần mềm NIST để xác định các tính năng vật 
lý như: Nhiệt độ, áp suất, enthalpy, entropy, thể tích và các 
thông số khác. 
Giả định: 
(1) Hệ thống hoạt động ổn định; 
(2) Không tính đến tổn thất áp suất, tổn thất nhiệt trên 
đường ống và tại các thiết bị trao đổi nhiệt; 
(3) Quá trình tiết lưu đẳng enthalpy. 
4. Tính toán và phân tích kết quả 
4.1. Hệ số làm nóng và lạnh COP của các môi chất 
Hình 3. Hệ số làm lạnh COP với các môi chất khác nhau 
Hình 3 biểu thị mối quan hệ của các loại môi chất với 
hệ số làm lạnh COP tùy theo nhiệt độ thay đổi. Từ Hình 3 
ta thấy, nhiệt độ sinh hơi tăng lên thì hệ số làm lạnh COP 
của tất cả các môi chất đều tăng theo. Tại cùng nhiệt độ 
sinh hơi các môi chất có hệ số làm lạnh COP khác nhau. 
Môi chất R717, Rượu và R718 đạt được hệ số làm lạnh 
COP cao. Môi chất R134a，R227ea và R245fa đạt được 
hệ số làm lạnh thấp nhất cụ thể tại nhiệt độ sinh hơi 91℃, 
COP của R718 đạt được trung bình 0,8 nhưng R134a đạt 
trung bình 0,66. 
Hình 4 thể hiện tùy theo nhiệt độ sinh hơi khác nhau mà 
hệ số làm nóng COP của các môi chất khác nhau. 
Từ Hình 4 ta nhận thấy, nhiệt độ sinh hơi tăng cao thì hệ 
số làm nóng COP các môi chất cũng tăng cao. Tại nhiệt độ 
sinh hơi khác nhau thì hệ số làm nóng COP của các môi chất 
cũng khác nhau. Các môi chất R717, Rượu, và R718 có hệ số 
làm nóng COP cao tương đương nhau. Các môi chất R227ea, 
R1234ze và R134a có hệ số làm nóng COP thấp nhất. Cụ thể 
nhiệt độ tại thiết bị sinh hơi 95℃ hệ số làm nóng của môi chất 
R718 là 1,8 trong khi R227ea nhỏ nhất bằng 1,58. 
Hình 4. Hệ số làm nóng COP với các môi chất khác nhau 
4.2. Các thông số ảnh hưởng đến hệ thống 
Hình 5 biểu thị sự ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi đối 
với hiệu suất chu trình Rankine hữu cơ. Từ Hình 5 ta biết 
được hiệu suất của chu trình Rankine hữu cơ ηorc tăng lên 
khi nhiệt độ tại thiết bị bay hơi tăng lên. Nhiệt độ sinh hơi 
tăng từ 55℃ đến 95℃ thì hiệu suất chu trình Rankine hữu 
cơ tăng từ 0,01 đến 0,11. 
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
H
ệ 
số
 l
àm
 l
ạn
h
 C
O
P
t1=55℃ t1=61℃ t1=67℃ t1=73℃
t1=79℃ t1=85℃ t1=91℃
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
H
ệ 
số
 là
m
 n
ón
g 
C
O
P
t1=55℃ t1=61℃ t1=67℃ t1=73℃
t1=79℃ t1=85℃ t1=91℃
16 Hoàng Thành Đạt , Hồ Trần Anh Ngọc 
Hình 5. Ảnh hưởng của nhiệt độ sinh hơi 
đối với hiệu suất chu trình Rankine hữu cơ 
Hình 6 biểu thị Wm với tỉ số Wnet và morc tùy thuộc vào 
nhiệt độ sinh hơi. Từ hình 6 ta nhận thấy Wm tăng lên khi 
nhiệt độ bay hơi tăng lên. Cụ thể đối với môi chất R152a ở 
nhiệt độ sinh hơi 55℃ thì Wm=2,5 như khi nhiệt độ sinh hơi 
ở 95℃ thì Wm= 23, như vậy tăng trung bình gấp 10 lần. 
Nguyên nhân như sau: từ công thức (10) có thể nhận thấy 
nhiệt độ sinh hơi tăng lên cao nhưng dường như nhiệt độ 
ngưng tụ không đổi, h1 tăng với h2s khoảng cách lớn nhưng 
h4s và h3 thay đổi không lớn dẫn đến Wm tăng rất nhiều. 
Hình 6. Ảnh hưởng của nhiệt độ sinh hơi đối với Wm 
Hình 7 biểu thị hệ số làm việc của hệ thống COPs tùy 
theo nhiệt độ sinh hơi. Đối với tất cả môi chất thì hệ số 
COPs tùy theo nhiệt độ tb tăng cao thì tăng cao, R227ea có 
hệ số COPs thấp nhất, nhiệt độ tại thiết bị sinh hơi tăng lên 
1℃ thì hệ số COPs tăng bình quân 2%. Thứ tự các môi chất 
có COPs từ cao đến thấp như sau: 
R123>R152a>R22>R134a>R1234ze>R227ea 
Hình 7. Ảnh hưởng của nhiệt độ sinh hơi đối với hệ số COPs và 
nhiệt độ ngưng tụ đối với hệ số làm việc của hệ thống 
Hình 8 biểu thị mối quan hệ giữa hiệu suất ηorc của chu 
trình Rankine hữu cơ đối với nhiệt độ ngưng tụ. Từ Hình 8 
ta nhận thấy nhiệt độ ngưng tụ tăng lên thì ηorc giảm xuống. 
Cụ thể tại nhiệt độ 35℃ các môi chất R123, R152a, R22, 
R134a, R1234ze và R227ea đối với ηorc có các giá trị tương 
ứng: 0,1285, 0,1238, 0,1239, 0,1142, 0,1112 và 0,0973 
nhưng tại nhiệt độ ngưng tụ 50℃ thì các môi chất trên có 
ηorc giảm như sau: 0,0958, 0,0895m, 0,0879, 0,0816, 
0,0798 và 0,0687. 
Hình 9 biểu thị mối quan hệ giữa hệ số làm lạnh COPvcr 
đối với sự thay đổi nhiệt độ ngưng tụ. Từ Hình 9 ta nhận 
thấy, tất cả các môi chất lạnh có COPvcr giảm xuống khi 
nhiệt độ ngưng tụ tăng cao. Cụ thể như sau: Tại nhiệt độ 
ngưng tụ 35℃ các môi chất R123. R152a. R22.R134a. 
R1234ze và R227ea có COPvcr phân biệt là 9,07, 8,84. 8,60, 
8,60, 8,58 và 8,17. Nhưng tại nhiệt độ ngưng tụ 50℃ các 
môi chất trên có COPvcr lần lượt giảm 5,52, 5,30, 5,08, 
5,02, 4,99 và 4,51. 
Hình 8. Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ đối với hệ số ηorc 
0.00 
0.02 
0.04 
0.06 
0.08 
0.10 
0.12 
55 65 75 85 95
η
o
rc
tb/℃
R123
R1234ze
R134a
R152a
R227ea
R22
0
5
10
15
20
25
55 65 75 85 95
W
m
/k
W
.s
.k
g
-1
tb/℃
R123
R1234ze
R134a
R152a
R227ea
R22
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
55 65 75 85 95
C
O
P
s 
tb/℃
R123
R1234ze
R134a
R152a
R227ea
R22
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
0.11
0.12
0.13
0.14
35 40 45 50
η o
rc
Nhiệt độ ngưng tụ (℃)
R123 R1234ze
R134a R152a
R227ea R22
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 1.2, 2019 17 
Hình 9. Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ đối với hệ số COPvcr 
Hình 10. Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ đối với hệ số COPs 
Hình 10 biểu thị mối quan hệ giữa hệ số làm lạnh toàn 
hệ thống COPs đối với sự thay đổi nhiệt độ ngưng tụ. Từ 
Hình 10 ta thấy, tất cả các môi chất có hệ số làm việc COPs 
tùy theo nhiệt độ ngưng tụ tăng lên hoặc giảm xuống. Cụ 
thể tại nhiệt độ ngưng tụ từ 35℃ đến 55℃ môi chất R123 
có COPs có giá trị bằng 1,18 giảm xuống 0,55 như vậy tỉ lệ 
trung bình giảm 53,3%. 
4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi đối với hệ số làm 
lạnh của chu trình COPvcr 
Hình 11 biểu thị mối mối quan hệ giữa COPvcr với sự 
thay đổi nhiệt độ bay hơi. Từ Hình 11 ta thấy, tất cả các 
môi chất đối với hệ số COPvcr tăng lên tùy theo nhiệt độ 
bay hơi tăng cao. Cụ thể như sau: Tại nhiệt độ bay hơi 1℃ 
các môi chất R123, R152a, R22, R134a, R1234ze và 
R227ea đối với COPvcr phân biệt là 5,28, 5,10, 4,91, 4,85, 
4,81 và 4,37. Nhưng ở nhiệt độ bay hơi 7℃ các môi chất 
trên có hệ số COPvcr có các giá trị trình tự tăng như sau: 
6,40, 6,18, 5,96, 5,91, 5,89 và 5,43. 
Hình 11. Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi đối với hệ số COPvcr 
Hình 12. Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi đối với hệ số COPs 
Hình 12 biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ bay hơi với 
hệ số làm việc của toàn hệ thống COPs. Từ Hình 12 ta nhận 
thấy, tất cả các môi chất có nhiệt độ bay hơi tăng lên thì hệ 
số COPs tăng lên. Tại nhiệt độ bay hơi 1℃ các môi chất 
R123, R152a, R22, R134a, R1234ze và R227ea đối với 
COPs các giá trị lần lượt 0,5647, 0,5158, 0,4927, 0,4498, 
0,4355 và 0,3435. Nhưng ở nhiệt độ bay hơi 7℃ với các môi 
chất trên COPs có các giá trị tăng lên lần lượt như sau: 
0,6843, 0,6251, 0,5972, 0,5484, 0,5327 và 0,4270. 
5. Kết luận 
Ở nội dung này đề suất ra nguyên lý hệ thống bơm 
nhiệt tuần hoàn hữu cơ kết hợp làm lạnh đồng thời xây 
dựng và tính toán tính chất của mô hình. Căn bản của việc 
tính toán mô hình hệ thống là nghiên cứu đặc tính biến 
đổi các loại môi chất khác nhau tùy theo nhiệt độ sinh hơi, 
nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ, rút ra được các kết 
quả sau đây: 
1) Đối với hệ số làm lạnh và làm nóng COP thì R717, 
Rượu và R718 đạt được hệ số cao hơn, còn môi chất 
R227ea, R245fa với R134a đạt được hệ số thấp hơn. 
2) Nhiệt độ tại thiết bị sinh hơi ảnh hưởng lớn đối với 
tổng hiệu năng của hệ thống, nhiệt độ sinh hơi tăng 1℃ thì 
tổng hiệu năng của hệ thống tăng lên trung bình 2%. 
3) Mức độ hiệu năng trung bình của các môi chất tăng 
lên hoặc giảm xuống tùy thuộc vào nhiệt độ bay hơi tăng 
lên hay giảm xuống. Do là chúng ta tính toán thiết kế hệ 
thống dùng chung một môi chất khi tính toán hệ thống bơm 
nhiệt kết hợp hai vòng tuần hoàn nên trên căn bản nâng cao 
nhiệt độ sinh hơi, có thể giảm nhiệt độ ngưng tụ, nâng cao 
nhiệt độ bay hơi. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Hung T.C，Shai T.Y，Wang S.K. A review of organic rankine 
cycles (ORCs) for the recovery of low-grade waste heat [J]．
Energy, 1997, 22(7): 66-667． 
[2] Hung T.C. Waste heat recovery oforganic rankine cycle using dryfluids. 
Energy Conversion and Management. 2001, 42(5): 539-553． 
[3] Hirakawa Y. 14MW ORC plant installed at Nippon steel [J]. 1981. 
[4] Legmann H. Recovery of industrial heat in the cement industry by 
means of the ORC process [C]. Cement Industry Technical 
Confernece. IEEE-IAS/PCA 44th. IEEE. 2002: 29-35. 
[5] LIM S. M. Economies of ship size: A new evaluation [J]. Maritime 
Policy anh Managenment. 1994. 21 (2):149-166. 
4
5
6
7
8
9
10
35 40 45 50
C
O
Pv
cr
Nhiệt độ ngưng tụ (℃)
R123 R1234ze
R134a R152a
R227ea R22
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
35 40 45 50
C
O
Ps
Nhiệt độ ngưng tụ (℃)
R123 R1234ze
R134a R152a
R227ea R22
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
1 3 5 7
C
O
Pv
cr
Nhiệt độ bay hơi (℃)
R123 R1234ze
R134a R152a
R227ea R22
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
1 3 5 7
C
O
Ps
Nhiệt độ bay hơi (℃)
R123 R1234ze
R134a R152a
R227ea R22
18 Hoàng Thành Đạt , Hồ Trần Anh Ngọc 
[6] RYDER S. C. CHAPPELL D. Optimal speed anh ship size for liner 
trades[J]. Maritime Policy anh Management. 1980, 7 (1): 55-57. 
[7] TALLEY W. K. Optimal Container ship size [J]. Maritime Policy 
anh Management. 1980, 17 (3): 165-175. 
[8] 卜宪标，李华山，王令宝等. 船舶余热驱动的有机朗肯－蒸汽压
缩空调性能分析与工质选择. 大连海事大学学报. 2013, 4:101-103. 
(BBT nhận bài: 19/9/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 30/10/2018)