Luận văn nghiên cứu nhiệt động hệ thống lạnh R134a/CO2 - Lê Thị Bảo Hà

Tóm tắt luận văn thạc sĩ nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số nhiệt độ hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2, đánh giá hiệu suất và tối ưu vận hành.

• Tác giả: Lê Thị Bảo Hà
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Thành Trung
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Nhiệt
• Đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt động hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống lạnh ghép tầng R134a CO2

Hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng hai môi chất lạnh khác nhau hoạt động ở các mức nhiệt độ khác nhau. R134a (tầng cao) và CO2 (tầng thấp) kết hợp nhằm nâng cao hiệu suất năng lượng so với hệ thống đơn cấp truyền thống. CO2 có nhiệt độ ngưng tụ cao hơn nhưng hiệu suất lạnh thấp, trong khi R134a hoạt động ổn định ở nhiệt độ bay hơi thấp hơn. Sự ghép tầng giúp khai thác ưu điểm của từng môi chất: R134a chịu tải nhiệt cao, CO2 hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ thấp. Các nghiên cứu trước cho thấy hệ thống ghép tầng có thể đạt COP cao hơn 20% so với hệ thống đơn cấp trong điều kiện vận hành tương đương. Hiệu quả này phụ thuộc lớn vào cấu hình trao đổi nhiệt và sự cân bằng nhiệt độ giữa hai tầng.

1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống ghép tầng

Hệ thống ghép tầng hoạt động dựa trên nguyên tắc tận dụng nhiệt thải từ tầng cao (R134a) để cung cấp nhiệt sưởi ấm cho tầng thấp (CO2). CO2 ở tầng thấp hấp thụ nhiệt từ không gian lạnh, sau đó truyền nhiệt đến tầng cao thông qua thiết bị trao đổi nhiệt trung gian. R134a tại tầng cao nhận nhiệt từ CO2 và thải nhiệt ra môi trường thông qua dàn ngưng tụ. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai tầng được duy trì ổn định nhờ vào bộ điều khiển và van tiết lưu. COP của hệ thống phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ tối ưu giữa hai tầng, thường nằm trong khoảng 5–10°C.

1.2. Ưu điểm và hạn chế của môi chất R134a CO2

R134a có chỉ số GWP thấp (1430) và ODP bằng 0, thân thiện môi trường hơn so với R22. CO2 có nhiệt độ ngưng tụ cao (khoảng 31°C) nhưng hiệu suất lạnh thấp do áp suất vận hành cao. Khi kết hợp, hệ thống ghép tầng tận dụng được ưu điểm của cả hai: R134a chịu tải nhiệt cao, CO2 hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ thấp (-30°C đến -50°C). Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu cao do yêu cầu thiết bị chịu áp suất cao. Ngoài ra, CO2 có nguy cơ rò rỉ cao hơn do áp suất vận hành lớn.

II. Phân tích các vấn đề nhiệt động trong hệ thống ghép tầng

Hiệu suất hệ thống lạnh ghép tầng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ bay hơi, ngưng tụ, áp suất trung gian và tổn thất nhiệt. Nhiệt độ bay hơi của CO2 thường nằm trong khoảng -30°C đến -50°C, trong khi R134a hoạt động ở nhiệt độ bay hơi cao hơn (khoảng -20°C đến 0°C). Sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai tầng ảnh hưởng trực tiếp đến COP. Áp suất trung gian giữa hai tầng cần được tối ưu hóa để đảm bảo cân bằng nhiệt động. Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che (tường, trần, nền) chiếm 15–25% tổng tải nhiệt, đòi hỏi thiết kế cách nhiệt hiệu quả. Ngoài ra, sự lệch pha giữa tải nhiệt và công suất lạnh cũng gây ra hiện tượng quá tải cục bộ.

2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi đến hiệu suất

Nhiệt độ bay hơi thấp hơn làm tăng hiệu suất lạnh nhưng đồng thời tăng áp suất vận hành, dẫn đến tiêu hao năng lượng cao hơn. CO2 yêu cầu nhiệt độ bay hơi thấp (-30°C đến -50°C) để đạt hiệu suất tối ưu, nhưng điều này đòi hỏi hệ thống phải hoạt động ở áp suất siêu tới hạn (100–120 bar). R134a hoạt động ổn định ở nhiệt độ bay hơi -20°C đến 0°C, phù hợp với tải nhiệt trung bình. Sự kết hợp hai môi chất giúp cân bằng giữa hiệu suất lạnh và tiêu hao năng lượng. Tuy nhiên, nhiệt độ bay hơi quá thấp có thể gây đóng băng thiết bị trao đổi nhiệt.

2.2. Tổn thất nhiệt và cân bằng năng lượng

Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che chiếm 15–25% tổng tải nhiệt, phụ thuộc vào hệ số truyền nhiệt (k) và diện tích bề mặt. Hệ thống lạnh ghép tầng cần thiết kế cách nhiệt dày 10–15 cm để giảm tổn thất. Ngoài ra, dòng nhiệt từ bức xạ mặt trời (Q12) cần được tính toán trong điều kiện vận hành ngoài trời. Cân bằng năng lượng yêu cầu nhiệt lượng do môi chất tầng thấp hấp thụ phải bằng nhiệt lượng do tầng cao thải ra cộng tổn thất. Sự mất cân bằng dẫn đến hiện tượng quá nhiệt hoặc quá lạnh cục bộ.

III. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số nhiệt động

Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng phương pháp đo trực tiếp các thông số vận hành như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng môi chất và công suất tiêu thụ. Hệ thống thí nghiệm bao gồm hai vòng tuần hoàn kín: vòng R134a (tầng cao) và vòng CO2 (tầng thấp), kết nối qua thiết bị trao đổi nhiệt trung gian. Nhiệt độ được đo bằng cảm biến PT100 với độ chính xác ±0,1°C, áp suất đo bằng cảm biến điện dung với độ chính xác ±0,5 bar. Lưu lượng môi chất được xác định bằng lưu lượng kế Coriolis. COP được tính toán dựa trên công suất lạnh đo được và công suất điện tiêu thụ của máy nén. Thí nghiệm tiến hành trong điều kiện nhiệt độ môi trường 25°C ± 2°C.

3.1. Thiết lập hệ thống thí nghiệm

Hệ thống thí nghiệm bao gồm máy nén piston hai cấp, bình ngưng tụ, bình bay hơi, van tiết lưu điện tử và thiết bị trao đổi nhiệt trung gian. CO2 được sử dụng ở tầng thấp với nhiệt độ bay hơi -30°C, R134a hoạt động ở tầng cao với nhiệt độ bay hơi -10°C. Các cảm biến nhiệt độ và áp suất được lắp đặt tại các điểm quan trọng: đầu ra máy nén, đầu vào thiết bị trao đổi nhiệt trung gian, đầu ra dàn bay hơi. Dữ liệu được thu thập tự động bằng hệ thống DAQ với tần suất 1 Hz. Hệ thống được vận hành ổn định trong 2 giờ trước khi ghi nhận dữ liệu.

3.2. Phương pháp tối ưu hóa thông số vận hành

Thông số vận hành được tối ưu hóa thông qua thí nghiệm lặp lại với các cấu hình khác nhau: lưu lượng môi chất, nhiệt độ bay hơi, áp suất ngưng tụ. Phương pháp lặp tuyến tính được sử dụng để xác định điểm tối ưu cho COP. Độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai tầng (Δt) được điều chỉnh từ 3°C đến 8°C để đánh giá ảnh hưởng đến hiệu suất. Kết quả thí nghiệm cho thấy COP đạt tối đa khi Δt = 5°C. Áp suất trung gian được điều chỉnh thông qua van tiết lưu để đảm bảo cân bằng nhiệt động giữa hai tầng.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng trong thực tiễn

Kết quả thí nghiệm cho thấy hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 đạt COP trung bình 3,2–3,8, cao hơn 25–30% so với hệ thống đơn cấp tương đương. Nhiệt độ bay hơi của CO2 đạt -30°C, trong khi R134a hoạt động ở -10°C, đảm bảo cân bằng nhiệt động. Áp suất trung gian tối ưu là 45 bar, cho phép giảm tiêu hao năng lượng của máy nén. Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che được giảm xuống còn 12% nhờ thiết kế cách nhiệt hiệu quả. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước về hệ thống ghép tầng sử dụng môi chất hỗn hợp.

4.1. Phân tích kết quả thực nghiệm

Dữ liệu thí nghiệm cho thấy COP đạt giá trị cao nhất (3,8) khi nhiệt độ bay hơi CO2 là -30°C và nhiệt độ bay hơi R134a là -10°C. Áp suất ngưng tụ của R134a dao động từ 12–14 bar, trong khi áp suất vận hành của CO2 là 100–110 bar. Lưu lượng môi chất tầng thấp (CO2) là 0,05 kg/s, tầng cao (R134a) là 0,08 kg/s. Hiệu suất trao đổi nhiệt tại thiết bị trung gian đạt 85%, cho thấy sự trao đổi nhiệt hiệu quả giữa hai môi chất.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất công nghiệp

Hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 có thể ứng dụng trong các ngành công nghiệp đòi hỏi nhiệt độ thấp như chế biến thủy sản, đông lạnh thực phẩm, sản xuất dược phẩm. Ưu điểm vượt trội là tiết kiệm năng lượng 25–30% so với hệ thống đơn cấp, giảm chi phí vận hành dài hạn. Ngoài ra, CO2 là môi chất tự nhiên, thân thiện môi trường, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững. Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu cao (khoảng 1,5–2 triệu USD cho hệ thống 100 kW) là rào cản chính đối với các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay sự phá hủy tầng ozone (ODP – Ozone Depletion Potential) và nóng lên toàn cầu (GWP – Global Warming Potential) đang được thế giới chú trọng. Một trong những nguồn phát thải CO2 lớn nhất đó là trong lĩnh vực lạnh: Lạnh công nghiệp, lạnh thương mại và sự phát triển nhanh chóng của máy điều hòa không khí. Chính vì vậy, các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu các môi chất lạnh tự nhiên, các môi chất lạnh mới để giảm sự phá hủy tầng ozone và nóng lên toàn cầu.

Trong các môi chất lạnh, môi chất lạnh CO2 là một trong những môi chất lạnh tự nhiên đầy hứa hẹn trong tương lai không có tiềm năng suy giảm ozone (ODP = 0) và có chỉ số nóng lên toàn cầu thấp (GWP = 1). Tuy nhiên, điểm tới hạn của môi chất lạnh CO 2 có nhiệt độ, áp suất 0 tương ứng là 31 C; 73,6 bar. Nhiệt độ tới hạn thấp nhưng áp suất cao yêu cầu công nghệ gia công các thiết bị, đường ống trong hệ thống lạnh phải đảm bảo an toàn cho người và thiết bị. Chính vì vậy cần phải giảm áp suất (hay nhiệt độ) này xuống thấp hơn.

Một trong những giải pháp để giảm nhiệt độ môi chất lạnh CO 2 ngưng tụ đó là thêm một chu trình lạnh sử dụng môi chất lạnh (khác môi chất CO 2) để sử dụng năng suất lạnh này làm lạnh môi chất lạnh CO 2. Phương pháp này gọi là ghép tầng. Hay nói cách khác, môi chất lạnh CO2 rất phù hợp cho chu trình máy lạnh ghép tầng với CO 2 đảm nhiệm tầng nhiệt độ thấp. Đến hiện tại, các nhà khoa học vẫn chưa tìm được nhóm môi chất lạnh nào thân thiện với môi trường và có năng suất lạnh cao như nhóm môi chất lạnh HFC.

Môi chất lạnh R134a là một trong những môi chất lạnh thuộc nhóm HFC đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng. Tuy nhiên các kết quả thực nghiệm về môi chất lạnh R134a dùng trong chu trình tầng cao trong hệ thống lạnh ghép tầng chưa nhiều. 1 Theo các công bố khoa học chính thống thì ở Việt Nam chưa có nghiên cứu nào về máy lạnh ghép tầng dùng môi chất R134a/CO2, trên thế giới nghiên cứu cũng không nhiều cho chế độ trữ đông. Chính vì vậy, việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt động của hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2” là rất cần thiết.

Nghiên cứu này đưa ra một trường hợp cụ thể (case study) cho tính toán thiết kế và thực nghiệm một hệ thống lạnh ghép tầng có quy mô nhỏ làm nền tảng cho việc phát triển các hệ thống trữ đông công suất lớn. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Liên quan đến hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất lạnh CO 2 ở chu trình nhiệt độ thấp, Jadhav cùng với cộng sự [1] tiến hành so sánh đánh giá các chu trình lạnh ghép tầng với các cặp môi chất lạnh khác nhau. CO 2 được sử dụng trong tầng thấp trong khi R134a, R290, R717 và R404A được sử dụng trong chu trình nhiệt độ cao như sơ đồ Hình 1.

Ảnh hưởng của các thông số nhiệt động đến hệ thống lạnh ghép tầng để tìm cặp môi chất lạnh làm việc tốt nhất. Kết quả là COP của cặp môi chất lạnh CO2/NH3 cao hơn so với các cặp môi chất lạnh CO 2/R134a, CO2/R290 và CO2/R404A cùng một nhiệt độ ngưng tụ ở chu trình nhiệt độ cao, nhiệt độ bay hơi ở tầng thấp và nhiệt độ ngưng tụ ở chu trình nhiệt độ thấp. COP của hệ thống CO2/R717 tăng từ 1.08 khi nhiệt độ thiết bị bay hơi tầng thấp thay đổi từ - 55ºC đến -30ºC. COP của hệ thống CO 2/R717 giảm từ 1.285 ở nhiệt độ ngưng tụ 0 0 chu kỳ nhiệt độ cao thay đổi từ 30 C đến 45 C.1: Sơ đồ hệ thống lạnh ghép tầng [1] 2 Patel cùng với cộng sự [2] đã tiến hành nghiên cứu tối ưu hiệu suất và phân tích so sánh hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng NH3/CO2 và C3H8/CO2.

Hệ thống lạnh ghép tầng làm việc với CO2 chu trình có nhiệt độ thấp, NH 3 và C3H8 chu trình có nhiệt độ cao. Bốn thông số vận hành: Nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ ngưng tụ chu trình nhiệt độ thấp, độ chênh lệch nhiệt độ ghép tầng được nghiên cứu để tối ưu. Kết quả cặp môi chất lạnh C 3H8/CO2 chi phí thấp hơn 5,33% và sự phá hủy exergy cao hơn 6,42% so với cặp môi chất lạnh NH3/CO2. Bhattacharyya cùng với cộng sự [3] tối ưu hóa hệ thống ghép tầng CO 2/C3H8 để làm lạnh và sưởi ấm.

Trong bài này, môi chất lạnh propan sử dụng cho chu trình nhiệt độ cao và carbon dioxide chu trình nhiệt độ thấp trên các ứng dụng làm lạnh và sưởi ấm. Kết quả là hiệu suất tổng thể của hệ thống ghép tầng bất biến với hiệu quả của chu trình propan và tăng khi hiệu quả của chu trình nhiệt độ cao được tăng lên. COP của hệ thống ghép tầng tăng khi nhiệt độ không gian lạnh tăng và COP giảm khi nhiệt độ sưởi ẩm đầu ra tăng. Hệ thống ghép tầng carbon dioxide-propane có phạm vi hoạt động rộng hơn trong các ứng dụng sưởi ấm và làm mát so với hệ thống lạnh ghép tầng carbon dioxide – ammonia.

Hệ thống ghép tầng này có thể hoạt động đồng 0 0 thời giữa nhiệt độ không gian làm lạnh -40 C và nhiệt độ sưởi ẩm khoảng 120 C. Nasruddin cùng với cộng sự [4] tối ưu hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất lạnh C3H8 trong chu trình nhiệt độ cao và hỗn hợp C 2H6/CO2 trong chu trình nhiệt độ thấp. Các nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ ngưng tụ hỗn hợp C2H6/CO2, độ chênh nhiệt độ ghép tầng và khối lượng CO2 được chọn là biến quyết định. Nhiệt độ vận hành và khối lượng CO2 nên được thêm vào để tạo ra một hệ thống tối ưu cả về kinh tế và nhiệt động.

Trong khi đó công suất làm mát, nhiệt độ không gian làm lạnh và nhiệt độ môi trường được coi là những ràng buộc. Khi nhiệt 0 0 độ bay hơi Te = 49 C; nhiệt độ ngưng tụ Tc = 56 C; nhiệt độ bay hơi (HTC) Tme= 0 0 9,96 C; T = 3,37 C và khối lượng CO2 = 0,68 với tổng số phá hủy exergy 39876,04W và tổng chi phí hàng năm là 51070,59$. Lee cùng với hai cộng sự [5] đã tiến hành phân tích nhiệt động để tối ưu nhiệt độ ngưng tụ ghép tầng của một hệ thống lạnh ghép tầng CO2/NH3 như Hình 1. Xác 3 định nhiệt độ ngưng tụ tối ưu của thiết bị ngưng tụ ghép tầng theo các thông số thiết kế khác nhau để hệ thống có COP cao nhất và exergy giảm nhỏ nhất.

Các thông số thiết kế bao gồm: nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ và chênh lệch nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ tầng. Kết quả là nhiệt độ ngưng tụ tối ưu của ngưng tụ ghép tầng phụ thuộc vào các thông số nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ và chênh lệch nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ tầng. Giá trị COP tăng khi nhiệt độ bay hơi tăng và giảm nhiệt độ ngưng tụ và chênh lệch nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ tầng tăng.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh ghép tầng R744/R717 [5] Tiếp theo, Getu và Bansal [6] đã phân tích nhiệt động hệ thống lạnh ghép tầng carbon dioxide–ammonia R744/R717 để tối ưu hóa tối ưu hóa các thông số thiết kế và vận hành hệ thống. Các thông số thiết kế và vận hành bao gồm (1): Nhiệt độ ngưng tụ, quá lạnh, nhiệt độ bay hơi, quá nhiệt của chu trình nhiệt độ cao ammonia (R717); (2) độ chênh nhiệt độ trong thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng; (3) Nhiệt độ bay hơi, quá nhiệt, ngưng tụ, quá lạnh của tầng thấpcarbon dioxide (R744).

Kết quả là khi độ quá nhiệt tăng thì tỷ lệ lưu lượng khối lượng tăng nhưng COP giảm và khi nhiệt độ bay hơi tăng thì cả tỷ lệ lưu lượng khối lượng và COP tăng. Khi nhiệt độ ngưng tụ tăng dẫn đến COP giảm và tỷ lệ lưu lượng môi chất lạnh tăng. Nhiệt độ bay hơi tăng thì COP của hệ thống tặng và tỷ lệ lưu lượng giảm. Độ chênh nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ ghép tầng tăng làm tỷ lệ lưu lượng khối lượng và COP của hệ thống giảm.

4 Bên cạnh đó, Mosaffa cùng với cộng sự [7] phân tích so sánh hệ thống lạnh ghép tầng CO2/NH3 trong 2 hệ thống: Hệ thống (1) hai bộ tách lỏng; hệ thống (2) một bộ tách lỏng với bình quá lạnh gián tiếp để tối đa hóa hệ số hiệu suất (COP) và hiệu suất exergy và giảm tổng chi phí hàng năm. Các thông số vận hành được xem xét bao gồm: Nhiệt độ ngưng tụ NH3 trong thiết bị ngưng tụ và CO2 trong thiết bị trao đổi nhiệt ghép tầng, nhiệt độ bay hơi của CO 2 trong thiết bị bay hơi, độ chênh nhiệt độ trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng, áp suất trung gian của bộ tách lỏng trong chu trình CO2 nhiệt độ thấp, tỷ lệ lưu lượng khối lượng và độ quá nhiệt của CO 2 tại đầu ra thiết bị bay hơi. Kết quả cho thấy, tổng chi phí hàng năm cho hệ thống (1) là 11,2% và thấp hơn 11,9% so với hệ thống (2). Đối với nhiệt động và chi phí tối ưu điều kiện thiết kế COP và hiệu quả exergy của cả hai hệ thống là gần như nhau.

Hơn nữa, Ma cùng với hai cộng sự [8] trình bày một hệ thống lạnh ghép tầng CO2/NH3, trong đó thiết bị ngưng tụ bay hơi dạng màn được sử dụng như bộ trao đổi nhiệt ghép tầng. Các kết quả phân tích nhiệt động của hệ thống cho thấy sự cải thiện hệ số hiệu suất (COP) do chênh lệch nhiệt độ nhỏ hơn trao đổi nhiệt ghép tầng. Hơn nữa, một mô hình dựa trên phương pháp NTU được phát triển bằng cách xem xét các ràng buộc của tổng độ dẫn nhiệt. Mô hình được phát triển sau đó được sử dụng để kiểm tra ảnh hưởng của các thông số chính trên các cấu hình hệ thống theo điều kiện COP tối đa.

Kết quả là khi COP của hệ thống tối đa, tỷ lệ phân bố độ dẫn nhiệt bị chi phối chủ yếu bởi sự chênh lệch nhiệt độ của ba bộ trao đổi nhiệt và hệ số hiệu suất của thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi. Nghiên cứu này có thể góp phần để phát triển hơn nữa và tối ưu hóa thiết kế các hệ thống lạnh ghép tầng CO2/NH3. Gholamian cùng với cộng sự [9] phân tích nâng cao exergy của hệ thống lạnh ghép tầng Carbon dioxide – Ammoniac.