Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghệ nhiệt lạnh và điều hòa không khí hiện nay đóng góp lượng phát thải khí nhà kính đáng kể trên phạm vi toàn cầu, thúc đẩy nhu cầu cấp thiết về việc chuyển đổi sang các môi chất lạnh tự nhiên thân thiện với môi trường. Môi chất làm lạnh truyền thống nhóm HFC như R134a có chỉ số làm nóng lên toàn cầu GWP lên tới 1200, trong khi môi chất tự nhiên CO2 hay còn gọi là R744 sở hữu chỉ số phá hủy tầng ozone ODP bằng 0 và GWP chỉ bằng 1. Tuy nhiên, CO2 có điểm tới hạn khá thấp với nhiệt độ tới hạn 31 độ C và áp suất tới hạn 73,6 bar, khiến hệ thống làm lạnh một cấp thông thường phải vận hành ở trạng thái siêu tới hạn với áp suất cực cao trong điều kiện khí hậu nhiệt đới.

Để giải quyết rào cản kỹ thuật này, đề tài tập trung nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số nhiệt động của hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 với công suất lạnh thiết kế 2,0 kW. Mục tiêu cụ thể là khảo sát các điểm nút nhiệt động, đánh giá năng suất lạnh, công nén và hệ số hiệu suất làm lạnh COP khi hạ nhiệt độ kho lạnh thể tích 0,15 m3 từ nhiệt độ môi trường 33 độ C xuống nhiệt độ bảo quản trữ đông tiêu chuẩn âm 20 độ C. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trực tiếp tại Xưởng Nhiệt thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác đầu tiên tại Việt Nam cho cặp môi chất R134a/CO2, chứng minh khả năng đạt COP lên tới 1,90 và rút ngắn thời gian làm lạnh xuống chỉ còn 30 phút, tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ lạnh tầng sâu tiết kiệm năng lượng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng nhiệt động lực học chu trình nén hơi ghép tầng kết hợp với lý thuyết truyền nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống. Cấu trúc mô hình phân tích dựa trên nguyên lý cân bằng năng lượng của Định luật 1 và đánh giá tổn thất thuận nghịch theo Định luật 2 Nhiệt động lực học cho từng tầng nhiệt độ độc lập.

Ba khái niệm cốt lõi được xây dựng xuyên suốt đề tài bao gồm:

  • Môi chất lạnh tự nhiên CO2 ở chu trình tầng thấp: Vận hành hoàn toàn trong vùng dưới tới hạn, điểm ba pha ở âm 56,6 độ C và 5,2 bar, đóng vai trò tạo nhiệt độ bay hơi âm sâu từ âm 30 độ C đến âm 50 độ C với năng suất lạnh thể tích vượt trội.
  • Môi chất làm lạnh tầng cao R134a: Đảm nhiệm vai trò hấp thụ toàn bộ nhiệt lượng ngưng tụ từ tầng thấp CO2 và giải nhiệt trực tiếp ra môi trường không khí ở nhiệt độ ngưng tụ 43 độ C.
  • Hệ số hiệu suất năng lượng toàn hệ thống COP: Tỷ số giữa năng suất lạnh hữu ích thu được tại dàn bay hơi tầng thấp và tổng công suất điện tiêu thụ của cả hai máy nén tầng thấp và tầng cao.
  • Độ chênh nhiệt độ trao đổi nhiệt trung bình Logarit LMTD: Đại lượng quyết định cường độ truyền nhiệt giữa dòng môi chất CO2 ngưng tụ và dòng R134a bay hơi bên trong bộ trao đổi nhiệt ghép tầng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu được thu thập từ mô hình thực nghiệm thực tế bao gồm máy nén piston CO2, máy nén R134a, dàn ngưng tụ giải nhiệt gió, dàn bay hơi đối lưu cưỡng bức và bộ trao đổi nhiệt ghép tầng kiểu ống lồng ống. Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 2 cấu hình trao đổi nhiệt điển hình với hàng chục chu kỳ đo lặp lại liên tục, ghi nhận dữ liệu tại các mốc thời gian kéo dài từ 30 phút đến 180 phút trong điều kiện lưu lượng khối lượng CO2 ổn định ở mức 27 kg/h.

Phương pháp chọn mẫu thông số vật lý được thực hiện thông qua hệ thống đo kiểm chuyên dụng: bộ chuyển đổi số hóa tín hiệu áp suất, máy đo nhiệt độ tiếp xúc đa kênh loại K/J nhãn hiệu Extech 421502 gắn tại từng điểm nút nhiệt động, cùng thiết bị đo lưu lượng chuyên dụng. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm đối chiếu tính toán nhiệt động học giải tích là nhằm xác thực độ tin cậy của các mô hình lý thuyết trong điều kiện vận hành thực tế ở môi trường nhiệt đới 33 độ C, đồng thời loại trừ các sai số do giả định đoạn nhiệt lý tưởng trong tính toán máy nén.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm trên mô hình hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 đã mang lại những phát hiện then chốt sau:

Thứ nhất, trong cấu hình thực nghiệm 1 sử dụng một bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống đơn có chiều dài 15 m, hệ thống mất 180 phút để làm lạnh không gian kho từ 33 độ C xuống âm 20 độ C. Tại chế độ xác lập với nhiệt độ bay hơi tầng thấp âm 30 độ C và nhiệt độ ngưng tụ CO2 là 7,2 độ C, năng suất lạnh đo được đạt 1,643 kW. Công suất máy nén CO2 tiêu thụ 0,39 kW trong khi máy nén R134a tiêu thụ 0,525 kW, đem lại hệ số hiệu suất COP toàn hệ thống đạt 1,79.

Thứ hai, trong cấu hình thực nghiệm 2 sử dụng hai bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống mắc song song với chiều dài mỗi ống 7,5 m, thời gian làm lạnh kho xuống âm 20 độ C được rút ngắn ngoạn mục xuống chỉ còn 30 phút, tương đương mức giảm 83,3% thời gian vận hành. Năng suất lạnh hệ thống đạt 1,62 kW, công nén tầng thấp CO2 giảm xuống 0,375 kW (giảm 3,85%) và công nén tầng cao R134a giảm còn 0,476 kW (giảm 9,33%). Nhờ đó, hệ số COP của hệ thống tăng lên mức 1,90, cải thiện 6,15% so với trường hợp 1.

Thứ ba, sự thay đổi nhiệt độ bay hơi tầng cao R134a tác động trực tiếp đến nhiệt độ ngưng tụ của tầng CO2. Khi nhiệt độ ngưng tụ CO2 duy trì trong khoảng 7,2 độ C đến 7,9 độ C, áp suất ngưng tụ CO2 dao động an toàn từ 41,8 bar đến 42,6 bar, thấp hơn rất nhiều so với ngưỡng áp suất tới hạn 73,6 bar.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp cấu hình 2 bộ trao đổi nhiệt song song dài 7,5 m vượt trội hơn cấu hình 1 ống dài 15 m là do diện tích bề mặt truyền nhiệt hiệu dụng được tối ưu hóa và tổn thất áp suất ma sát của dòng môi chất giảm đi đáng kể. Việc chia đôi lưu lượng qua hai nhánh song song làm tăng hệ số tỏa nhiệt đối lưu, giúp quá trình truyền nhiệt chuyển pha diễn ra nhanh chóng, hạ nhiệt độ kho lạnh nhanh gấp 6 lần.

Kết quả thực nghiệm này hoàn toàn tương đồng với các công bố khoa học quốc tế của Dopazo, Seara cũng như nghiên cứu của Kock và cộng sự, khẳng định tính ưu việt của chu trình ghép tầng dùng CO2 dưới tới hạn. Về mặt trình bày trực quan, toàn bộ dữ liệu trạng thái 4 điểm nút của chu trình có thể được biểu diễn hoàn hảo qua đồ thị Áp suất - Enthalpy (biểu đồ log p-h) cho từng môi chất, kết hợp bảng so sánh sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm (độ lệch dưới 5%), và đồ thị đường cong biến thiên nhiệt độ kho theo thời gian thực.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận thực nghiệm, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị và giải pháp hành động cụ thể:

  1. Chuyển đổi công nghệ bộ trao đổi nhiệt trung gian sang dạng tấm hàn PHE: Nâng cao hệ số truyền nhiệt tổng thể thêm 20% đến 30% và giảm 40% thể tích lắp đặt thiết bị trong thời gian 6 đến 12 tháng tới, do các kỹ sư nghiên cứu và phát triển sản phẩm tại các doanh nghiệp cơ điện lạnh thực hiện.
  2. Ứng dụng công nghệ biến tần điều khiển lưu lượng máy nén: Thiết lập hệ thống điều khiển tự động biến tần cho máy nén CO2 và R134a nhằm duy trì COP ổn định trên 2,10 khi phụ tải nhiệt thay đổi, mục tiêu tiết kiệm 15% điện năng tiêu thụ trong vòng 6 tháng, do các đơn vị vận hành kho lạnh công nghiệp triển khai.
  3. Thử nghiệm thay thế môi chất tầng cao bằng môi chất có GWP thấp: Tiến hành thử nghiệm thay thế R134a bằng các môi chất thế hệ mới như R152a (GWP bằng 124) hoặc Hydrocarbon R290 (GWP bằng 3) nhằm giảm thiểu tác động môi trường toàn diện xuống dưới 150 GWP trong lộ trình 2024 - 2026, do các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành nhiệt lạnh chủ trì.
  4. Xây dựng tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật cho hệ thống lạnh CO2 áp suất cao: Ban hành quy chuẩn vận hành, bảo dưỡng đường ống và thiết bị chịu áp lực làm việc từ 40 bar đến 80 bar trước năm 2025, do Hội Khoa học Kỹ thuật Lạnh và Điều hòa Không khí Việt Nam phối hợp với các cơ quan kiểm định an toàn lao động thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là nguồn tài liệu chuyên sâu đặc biệt giá trị cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

  1. Kỹ sư thiết kế và tư vấn hệ thống lạnh công nghiệp: Tiếp cận phương pháp tính toán nhiệt, cân bằng nhiệt lượng giữa hai tầng và quy trình lựa chọn thiết bị cho các kho cấp đông âm sâu từ âm 20 độ C đến âm 50 độ C đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao.
  2. Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt: Sử dụng bộ số liệu thực nghiệm gốc làm dữ liệu tham khảo phục vụ giảng dạy, mô phỏng truyền nhiệt, phân tích tổn thất exergy nâng cao và phát triển các đề tài khoa học tiếp nối.
  3. Doanh nghiệp chế biến thủy hải sản và logistics chuỗi cung ứng lạnh: Tham khảo mô hình chuyển đổi xanh từ hệ thống gas truyền thống sang hệ thống ghép tầng CO2 tự nhiên nhằm tiết kiệm từ 15% đến 25% chi phí năng lượng và đáp ứng tiêu chuẩn xuất khẩu quốc tế.
  4. Các nhà quản lý môi trường và hoạch định chính sách năng lượng: Có thêm cơ sở khoa học thực chứng để xây dựng lộ trình loại trừ dần các môi chất lạnh gây hiệu ứng nhà kính HFC theo Thỏa thuận Kigali tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nên lựa chọn hệ thống ghép tầng R134a/CO2 thay vì hệ thống một cấp CO2? Môi chất CO2 có nhiệt độ tới hạn thấp ở 31 độ C. Nếu chạy một cấp trong điều kiện nhiệt độ môi trường nhiệt đới 33 độ C, chu trình bắt buộc phải hoạt động ở trạng thái siêu tới hạn với áp suất vượt 73,6 bar, gây tiêu tốn điện năng lớn. Hệ thống ghép tầng giữ CO2 ngưng tụ ở nhiệt độ an toàn 7,2 độ C đến 7,9 độ C, bảo đảm COP đạt 1,90.

Cấu hình hai bộ trao đổi nhiệt song song đem lại lợi ích cụ thể gì? Thực nghiệm chứng minh cấu hình 2 bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống song song dài 7,5 m làm tăng diện tích truyền nhiệt và giảm tổn thất áp suất dòng chảy. Giải pháp này giúp rút ngắn thời gian làm lạnh kho từ 180 phút xuống 30 phút, đồng thời nâng cao hệ số COP từ 1,79 lên 1,90.

Hệ số hiệu suất COP của hệ thống ghép tầng trong nghiên cứu đạt bao nhiêu? Hệ số làm lạnh COP thực nghiệm đạt từ 1,79 ở cấu hình ống đơn 15 m đến 1,90 ở cấu hình 2 ống song song 7,5 m, với năng suất lạnh hữu ích đạt từ 1,62 kW đến 1,643 kW khi duy trì nhiệt độ kho ở âm 20 độ C và nhiệt độ bay hơi âm 30 độ C.

Môi chất CO2 có an toàn và thân thiện môi trường trong vận hành thực tế không? CO2 là môi chất tự nhiên hoàn toàn không phá hủy tầng ozone (ODP bằng 0) và có chỉ số ấm lên toàn cầu thấp nhất (GWP bằng 1). CO2 không cháy, không bắt lửa, không độc hại ở nồng độ tiêu chuẩn, là giải pháp xanh lý tưởng thay thế các môi chất HFC có GWP cao.

Chi phí đầu tư và khả năng ứng dụng thực tế của hệ thống như thế nào? Mặc dù chi phí đầu tư thiết bị ban đầu cho hệ thống CO2 cao hơn do yêu cầu đường ống chịu áp suất cao, nhưng chi phí nạp môi chất CO2 rất rẻ và độ bền nhiệt động vượt trội. Hệ thống giúp doanh nghiệp thu hồi vốn nhanh thông qua việc tiết kiệm 15% đến 20% chi phí điện năng vận hành hàng năm.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết lập và vận hành thành công mô hình thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng R134a/CO2 quy mô 2,0 kW trong điều kiện nhiệt độ môi trường nhiệt đới 33 độ C.
  • Xác định chuẩn xác các thông số nhiệt động thực tế với nhiệt độ bay hơi tầng thấp đạt âm 30 độ C và nhiệt độ ngưng tụ CO2 duy trì an toàn từ 7,2 độ C đến 7,9 độ C.
  • Khẳng định giải pháp sử dụng 2 bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống song song giúp tăng COP lên 1,90 và cắt giảm 83,3% thời gian kéo nhiệt độ kho xuống âm 20 độ C.
  • Đóng góp bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn mực đầu tiên tại Việt Nam, thu hẹp khoảng cách giữa tính toán lý thuyết nhiệt động học và thực tiễn vận hành thiết bị.
  • Mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong việc thay thế môi chất HFC bằng môi chất tự nhiên CO2 cho ngành công nghiệp chế biến và bảo quản đông lạnh.

Các bước nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tích hợp bộ trao đổi nhiệt dạng tấm hàn và tối ưu hóa hệ thống điều khiển tự động trong giai đoạn 2024 - 2025. Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu quan tâm vui lòng kết nối để cùng hợp tác chuyển giao công nghệ và phát triển các hệ thống lạnh tầng sâu hiệu suất cao.