Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Ta thấy rằng chu trình lạnh một cấp có ưu điểm chính là đơn giản, ít thiết bị, sử dụng và vận hành dễ dàng, giá thành rẻ, vốn đầu tư ban đầu thấp nhưng có nhược điểm là giá vận hành cao khi vượt quá chế độ làm việc thuận lợi. Theo [4] Để đảm bảo cho hệ thống lạnh làm việc an toàn, hiệu quả với độ tin cậy và tuổi thọ cao, chi phí vận hành thấp, máy nén lạnh hoạt động hiệu quả, đặc biệt máy nén pittông cần đáp ứng các yêu cầu sau: Nhiệt độ cuối tầm nén không vượt quá 120oC. Nhiệt độ dầu bôi trơn không vượt quá 60oC.
Hệ số cấp λ phải đủ lớn (λ ≥ 0,5… 0,6). Theo các giá trị trên, máy nén amoniắc tối đa chỉ làm việc với tỷ số nén πmax = 9 và máy nén frêôn tối đa πmax = 12 ÷ 13. Khi tỷ số nén vượt quá giá trị πmax trên cần thiết phải sử dụng chu trình hai hoặc nhiều cấp nén. Do vậy, khi hạ nhiệt độ to càng thấp thì tỷ số nén sẽ càng tăng lên ảnh hưởng đến thiết bị nên chu trình lạnh một cấp không đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật.
Khi đó chúng ta phải chuyển sang chu trình lạnh 2 cấp. Đối với chu trình một cấp thì nhiệt độ to nên dùng tối đa là – 30 oC. Khi nhiệt độ bay hơi thấp hơn nữa thì nên chuyển sang chu trình 2 cấp, 3 cấp,… hay ghép tầng. Máy lạnh 2 cấp, 3 cấp,… hay ghép tầng ngược lại phức tạp hơn, thiết bị nhiều hơn, sử dụng và vận hành khó hơn, giá thành cao hơn làm cho vốn đầu tư ban đầu cao nhưng lại có ưu điểm là có hiệu suất cao, giá vận hành rẻ, giá thành một đơn vị lạnh thấp hơn đặc biệt ở các chế độ làm việc mà máy lạnh một cấp hầu như không vận hành nổi.
HVTH: Lê Thành Nhân Trang 1 Luan van Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS. Đặng Văn Lái Kết luận: Với những ứng dụng lạnh từ - 30 oC trở lên thì dùng chu trình lạnh một cấp; – 30oC đến – 50oC dùng chu trình lạnh 2, 3 cấp; – 50oC đến –100oC: dùng chu trình lạnh ghép tầng. Trong các loại chu trình trên rõ ràng ta thấy chu trình lạnh 1 cấp có nhiều ưu điểm nhưng lại không ứng dụng được ở những nhu cầu làm lạnh thấp hơn – 30oC. Tuy nhiên, khi những ứng dụng lạnh thấp hơn – 30oC nhưng vẫn sử dụng chu trình lạnh một cấp với chất lượng của chu trình đáp ứng những yêu cầu của chu trình một cấp (λ ≥ 0,5… 0,6; tỷ số nén πmax = 12 ÷ 13; Nhiệt độ cuối tầm nén không vượt quá 120oC) thì đem lại hiệu quả rất lớn về kinh tế cũng như kỹ thuật.
Vì vậy cần phải có giải pháp phân tích chất lượng chu trình lạnh một cấp nhằm đáp ứng các yếu tố kỹ thuật trên nhưng đạt được nhiệt độ sôi thấp đến – 65 oC để phục vụ các nhu cầu lạnh thấp hơn – 30oC mà chu trình lạnh một cấp hiện nay không thể thực hiện được. Do đó đề tài “nghiên cứu nâng cao chất lượng chu trình lạnh 1 cấp có nhiệt độ sôi – 65 oC” mang ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế, kỹ thuật và có khả năng ứng dụng thực tế cao. Tình hình nghiên cứu 1. Nghiên cứu ngoài nước Việc nghiên cứu môi chất lạnh mới luôn gắn liền với lịch sử phát triển hơn 150 năm của ngành kỹ thuật lạnh.
Đến nay người ta đã biết đến hàng trăm loại môi chất khác nhau. Mỗi lần phát hiện ra một môi chất mới phù hợp, kỹ thuật lạnh bước vào một giai đoạn phát triển mới đó là việc sử dụng SO2 của Pictet, Pháp năm 1874 và NH3 của Linde, Đức cũng vào khoảng thời gian này. Đặc biệt việc sử dụng các frêôn vào năm 1970 ở Mỹ đã đưa ngành Kỹ thuật lạnh đến một bước ngoặc lịch sử; kỹ thuật điều hòa không khí, kỹ thuật lạnh dân dụng và thương nghiệp phát triển một cách đột phá. Tuy nhiên, vào năm 1974 Rowland và Molina phát hiện ra rằng frêôn phá hủy tầng ôzôn và gây hiệu ứng lồng kính làm nóng trái đất.
Do đó, các chất frêôn cần phải được nghiên cứu và thay thế bằng các môi chất lạnh mới hiệu suất cao, an toàn và thân thiện với môi trường. HVTH: Lê Thành Nhân Trang 2 Luan van Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS. Đặng Văn Lái Một số môi chất lạnh mới tiêu biểu trên thế giới được nghiên cứu và đề nghị thay thế môi chất lạnh cũ như sau: Bảng 1.1: Một số môi chất lạnh mới tiêu biểu Môi chất Thay thế cho môi chất Môi chất lạnh tương lai, không clo R134a R12 hoặc R22 R407A/B R502 R407C, R410A, R404A R22 R507 R502 hoặc R22 R1234yf R22, R134a Môi chất lạnh tự nhiên R290 R22 hoặc R502 R600a R12 R717 R22 Nhược điểm các môi chất lạnh mới và cũ là không thể tạo được độ lạnh thấp dưới - 30 oC bằng chu trình lạnh 1 cấp. Đã có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến các vần đề của chu trình một cấp trong đó tiêu biểu như: - Yasin Ust, Ali Volkan Akkaya, Aykut Safa [17] đã phân tích chu trình máy lạnh nén hơi một cấp bằng phương pháp hiệu suất execgi cho các loại môi chất HVTH: Lê Thành Nhân Trang 3 Luan van Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.
Đặng Văn Lái lạnh khác nhau. Kết quả nghiên cứu đã cho thấy rằng môi chất lạnh R32 có hiệu suất execgi tốt nhất so với các môi chất lạnh khác (R410A,R143A, R404A và R125). Nội dung nghiên cứu của bài báo chỉ dừng lại ở mức độ so sánh hiệu suất execgi của chu trình máy lạnh một cấp khi sử dụng các loại môi chất lạnh khác nhau chứ chưa tiến xa hơn là phân tích chu trình để tìm ra tổn thất năng lượng cho chu trình. - Qin WANG cùng cộng sự [18] tối ưu hóa hiệu suất chu trình lạnh một cấp Linde-Hampson (LHR) hoạt động với 6 cặp môi chất khác nhau (R23/R134a, R23/R227ea, R23/R236ea, R170/R290, R170/R600a và R170/R600) với hệ số phá hủy tầng ozone(ODPs) bằng 0 để đạt được mức nhiệt độ - 60oC.
Nghiên cứu đã tập trung vào hai vấn đề quan trọng đó là lựa chọn môi chất lạnh thân thiện môi trường và sử dụng chu trình lạnh 1 cấp cho dải nhiệt độ âm sâu. Nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng để đạt được nhiệt độ âm sâu phải sử dụng hỗn hợp môi chất không đồng sôi. Hạn chế lớn nhất của nghiên cứu này đó là chưa có mô hình thực nghiệm để đánh giá kết quả, ở đây tác giả đã sử dụng phương pháp mô phỏng số để phỏng đoán kết quả, do đó kết quả chưa mang tính thuyết phục cao. - Nawaz Khan cùng cộng sự [19] đã phân tích chi tiết execgi cho chu trình máy lạnh nén hơi sử dụng các môi chất lạnh R12, R22, R134a.
Hiệu suất execgi và mức độ phá hủy execgi cho từng thiết bị chính của chu trình như máy nén, thiết bị ngưng tụ, bay hơi và tiết lưu đã được phân tích chi tiết. Nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng chi tiết từng thiết bị đến hiệu suất của cả chu trình như thế nào. Nội dung nghiên cứu có hướng mới, tập trung phân tích tổn thất năng lượng từng thành phần của hệ thống. Tuy nhiên, nghiên cứu chỉ dừng lại ở dãy nhiệt độ từ âm 40oC và chu trình lạnh sử dụng cho nghiên cứu là chu trình một cấp – chu trình cơ bản (chu trình khô) mà chưa có những nghiên cứu ở dải nhiệt độ âm sâu hơn.
- Min-Hsing Yang và Rong-Hua Yeh [20] đã thực hiện phân tích số nâng cao hiệu suất và tổn thất execgi cho hệ thống lạnh nén hơi sử dụng các loại môi chất HVTH: Lê Thành Nhân Trang 4 Luan van Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS. Nghiên cứu đã tính toán COP, diện tích trao đổi nhiệt, độ không thuận nghịch và tổn thất ma sát xảy ra bên trong các thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng trong nghiên cứu này ở các điều kiện nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi khác nhau. Các ảnh hưởng của nước làm mát trong bộ quá lạnh, tổn thất áp suất của môi chất lạnh trong các thiết bị trao đổi nhiệt và độ quá nhiệt trong thiết bị bay hơi cũng được nghiên cứu. Nghiên cứu đã cho thấy được các yếu tố gây ra tổn thất năng lượng, độ quá lạnh quá nhiệt tối ưu cho hệ thống.
Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp cân bằng execgi để xác định thành phần gây tổn thất năng lượng và khắc phục cho hệ thống lạnh nén hơi một cấp. Tuy nhiên dải nhiệt độ bay hơi của môi chất trong nghiên cứu này chỉ từ âm 20oC đến 0oC, dải nhiệt độ âm sâu hơn âm 20oC thì trong nghiên cứu này chưa đề cập đến cũng như chưa có những tính toán phân tích. - Dalkilic và Wongwises [21] đã điều tra hiệu suất của hệ thống máy lạnh nén hơi tại các độ quá lạnh và quá nhiệt bằng việc sử dụng của hỗn hợp môi chất R134a, R152a, R32, R290, R1270 và R600a theo định luật I nhiệt động học. Tại nhiệt độ ngưng tụ 50oC và nhiệt độ bay hơi dao động từ -30oC đến 10oC, kết quả cho thấy rằng hỗn hợp R290/R600a và R290/R1270 là những lựa chọn thay thế thích hợp nhất cho các loại môi chất lạnh hiện hành như R12, R22 và R134a.
Nghiên cứu đã hướng đến việc sử dụng những hỗn hợp môi chất lạnh có khuynh hướng thân thiện với môi trường để thay thế môi chất lạnh truyền thống. Phương pháp phân tích đó là tính toán hệ số COP so sánh hiệu suất của các loại môi chất lạnh. Hạn chế của nghiên cứu là chưa phân tích execgi của hệ thống để xác định thành phần tổn thất. - Gang Yan, Hui Hu, Jianlin Yu [22] đã đề xuất một chu trình máy lạnh tự động ghép tầng bên trong hoạt động với hỗn hợp môi chất không đồng sôi R290/R600a hoặc R290/R600 cho hệ thống lạnh kết đông dân dụng.
Nghiên cứu sử dụng các công cụ mô phỏng để đánh giá hiệu suất với chu trình máy lạnh thông HVTH: Lê Thành Nhân Trang 5 Luan van Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS. Đặng Văn Lái thường. Nghiên cứu đã cho thấy chu trình máy lạnh tự động ghép tầng có hiệu suất tốt hơn chu trình thông thường trong ứng dụng hệ thống lạnh kết động dân dụng. Navarro-Esbri [23] đã đề cập đến ảnh hưởng của các thông số hoạt động chính (áp suất bay hơi, áp suất ngưng tụ và độ quá nhiệt trước khi vào máy nén) vào đặc tính năng lượng.
Kết quả thử nghiệm được thực hiện trên chu trình lạnh 1 cấp với 3 loại môi chất lạnh khác nhau (R134a, R407C và R22).