Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật lạnh, việc tạo ra nhiệt độ thấp sâu phục vụ cho các ngành công nghiệp như thực phẩm, y tế, điện tử là nhu cầu thiết yếu. Theo ước tính, các hệ thống lạnh truyền thống sử dụng chu trình lạnh một cấp chỉ có thể đạt được nhiệt độ sôi tối đa khoảng -30°C. Để đạt được nhiệt độ thấp hơn, từ -30°C đến -50°C, người ta thường sử dụng chu trình lạnh hai hoặc nhiều cấp, hoặc chu trình ghép tầng, tuy nhiên các hệ thống này có nhược điểm là phức tạp, chi phí đầu tư và vận hành cao. Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu nâng cao chất lượng chu trình lạnh một cấp có nhiệt độ sôi xuống đến -65°C, nhằm đáp ứng nhu cầu lạnh sâu nhưng vẫn giữ được ưu điểm về đơn giản, chi phí thấp và dễ vận hành của chu trình một cấp.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng và thực nghiệm chu trình lạnh một cấp sử dụng hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi, đảm bảo các thông số kỹ thuật như tỷ số nén π, hiệu suất năng lượng η, và hệ số cấp λ đạt mức yêu cầu (λ ≥ 0,5…0,6; πmax = 12 ÷ 13; nhiệt độ cuối tầm nén không vượt quá 120°C). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào chu trình lạnh một cấp với nhiệt độ sôi -65°C, thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn năm 2016-2017.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện rõ qua việc giảm thiểu chi phí đầu tư, vận hành và bảo trì so với các hệ thống lạnh nhiều cấp hoặc ghép tầng, đồng thời mở rộng khả năng ứng dụng chu trình lạnh một cấp cho các nhu cầu lạnh sâu hơn. Điều này góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trong ngành kỹ thuật lạnh, đồng thời hỗ trợ phát triển các công nghệ lạnh thân thiện môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Chu trình lạnh một cấp và nhiều cấp: Bao gồm các dạng chu trình khô, chu trình dùng bình tách lỏng, chu trình hồi nhiệt, chu trình hai cấp làm mát trung gian không hoàn toàn và hoàn toàn, cũng như chu trình ghép tầng. Mỗi chu trình có đặc điểm riêng về thiết bị, hiệu suất và phạm vi nhiệt độ ứng dụng.

  • Phân tích execgi (exergy): Phương pháp này kết hợp nguyên lý I và II nhiệt động học để đánh giá hiệu suất và tổn thất năng lượng trong chu trình lạnh. Hiệu suất execgi (ηe) được sử dụng làm chỉ số đánh giá chất lượng chu trình, giúp xác định các thành phần gây tổn thất năng lượng và hướng tối ưu hóa.

  • Hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi: Sử dụng hỗn hợp môi chất có nhiệt độ sôi thấp hơn môi chất đơn, giúp kéo dài dải nhiệt độ bay hơi xuống -65°C. Đặc điểm của hỗn hợp này là quá trình bay hơi và ngưng tụ không đẳng nhiệt, có nhiệt độ trượt, đòi hỏi thiết kế thiết bị và điều chỉnh chu trình phù hợp.

Các khái niệm chính bao gồm: tỷ số nén π, hệ số cấp λ, hiệu suất năng lượng η, hiệu suất execgi ηe, tổn thất execgi, nhiệt độ cuối tầm nén, và nhiệt độ trượt của môi chất lạnh.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, báo cáo khoa học trong và ngoài nước, các tiêu chuẩn kỹ thuật, và dữ liệu thực nghiệm từ mô hình chu trình lạnh một cấp sử dụng hỗn hợp môi chất RTIC.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm chuyên dụng REFPROP để tính toán các thông số trạng thái của hỗn hợp môi chất không đồng sôi. Phân tích execgi được áp dụng để đánh giá tổn thất năng lượng từng thiết bị trong chu trình như máy nén, dàn ngưng tụ, dàn bay hơi, van tiết lưu và thiết bị hồi nhiệt.

  • Thiết kế và xây dựng mô hình thí nghiệm: Lắp đặt hệ thống chu trình lạnh một cấp với nhiệt độ sôi -65°C tại phòng thí nghiệm, sử dụng máy nén một cấp, dàn ngưng tụ, dàn bay hơi, thiết bị hồi nhiệt và các cảm biến đo áp suất, nhiệt độ, dòng điện. Cỡ mẫu là một mô hình thực nghiệm, được vận hành và đo đạc trong điều kiện kiểm soát.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 01/2016 đến tháng 04/2017, bao gồm giai đoạn khảo sát tài liệu, thiết kế mô hình, lắp đặt, thí nghiệm, thu thập và phân tích dữ liệu, viết báo cáo và luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất execgi của chu trình lạnh một cấp có hồi nhiệt cao hơn chu trình không hồi nhiệt: Kết quả thí nghiệm cho thấy hiệu suất execgi ηe của chu trình có hồi nhiệt đạt khoảng 0,55, trong khi chu trình không hồi nhiệt chỉ đạt khoảng 0,45, tăng khoảng 22%. Điều này chứng tỏ thiết bị hồi nhiệt góp phần giảm tổn thất năng lượng trong quá trình tiết lưu và bay hơi.

  2. Sử dụng hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi RTIC kéo dài dải nhiệt độ bay hơi xuống -65°C: Thông số trạng thái môi chất RTIC tại nhiệt độ sôi -65°C cho thấy tỷ số nén π duy trì trong khoảng 10-12, hệ số cấp λ đạt 0,55-0,6, nhiệt độ cuối tầm nén không vượt quá 115°C, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của chu trình lạnh một cấp.

  3. Tổn thất execgi tập trung chủ yếu ở thiết bị tiết lưu và máy nén: Phân tích execgi cho thấy tổn thất tuyệt đối tại van tiết lưu chiếm khoảng 35% tổng tổn thất, máy nén chiếm khoảng 30%, trong khi dàn ngưng tụ và dàn bay hơi chiếm phần còn lại. Việc cải tiến thiết bị tiết lưu và tối ưu vận hành máy nén là hướng ưu tiên để nâng cao hiệu suất chu trình.

  4. So sánh với chu trình lạnh nhiều cấp và ghép tầng: Chu trình lạnh một cấp sử dụng hỗn hợp môi chất RTIC có hiệu suất năng lượng η tương đương hoặc cao hơn khoảng 5-10% so với chu trình hai cấp truyền thống ở nhiệt độ bay hơi -65°C, đồng thời giảm đáng kể chi phí đầu tư và vận hành.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp nâng cao chất lượng chu trình lạnh một cấp là việc sử dụng hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi RTIC, cho phép giảm nhiệt độ sôi mà vẫn giữ được các thông số kỹ thuật quan trọng như tỷ số nén và nhiệt độ cuối tầm nén trong giới hạn an toàn. Thiết bị hồi nhiệt giúp giảm tổn thất năng lượng trong quá trình tiết lưu, tăng hiệu suất execgi và hệ số lạnh ε.

So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào mô phỏng số hoặc chu trình lạnh một cấp ở nhiệt độ bay hơi cao hơn, nghiên cứu này đã xây dựng và vận hành mô hình thực nghiệm, cung cấp dữ liệu thực tế có độ tin cậy cao. Kết quả cũng phù hợp với các báo cáo ngành về hiệu suất của hỗn hợp môi chất không đồng sôi trong kỹ thuật lạnh sâu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lgP-h thể hiện các điểm trạng thái của môi chất RTIC trong chu trình, bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật của thiết bị và biểu đồ so sánh hiệu suất execgi giữa các chu trình có và không có hồi nhiệt. Bảng phân tích tổn thất execgi theo từng thiết bị cũng giúp minh họa rõ ràng các điểm cần cải tiến.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi RTIC trong các hệ thống lạnh một cấp nhiệt độ sôi thấp: Khuyến nghị các doanh nghiệp và nhà máy công nghiệp sử dụng hỗn hợp RTIC để giảm chi phí đầu tư và vận hành, đồng thời đáp ứng nhu cầu lạnh sâu. Thời gian triển khai trong vòng 1-2 năm.

  2. Cải tiến thiết bị tiết lưu và máy nén để giảm tổn thất execgi: Đề xuất nghiên cứu và phát triển các thiết bị tiết lưu có hiệu suất cao hơn, đồng thời tối ưu hóa vận hành máy nén để giảm nhiệt độ cuối tầm nén. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị, trong vòng 3 năm.

  3. Tăng cường sử dụng thiết bị hồi nhiệt trong chu trình lạnh một cấp: Thiết bị hồi nhiệt đã chứng minh hiệu quả trong việc nâng cao hệ số lạnh và hiệu suất execgi, nên được tích hợp rộng rãi trong các hệ thống mới và cải tạo hệ thống cũ. Thời gian áp dụng từ 6 tháng đến 1 năm.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho kỹ sư vận hành và bảo trì: Để đảm bảo vận hành hiệu quả, cần tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật lạnh một cấp sử dụng hỗn hợp môi chất không đồng sôi, phương pháp phân tích execgi và vận hành thiết bị hồi nhiệt. Chủ thể là các trường đại học, trung tâm đào tạo kỹ thuật, trong vòng 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và nhà thiết kế hệ thống lạnh công nghiệp: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về chu trình lạnh một cấp nhiệt độ sôi thấp, giúp thiết kế hệ thống hiệu quả, tiết kiệm chi phí.

  2. Các nhà quản lý và doanh nghiệp trong ngành công nghiệp thực phẩm, y tế, điện tử: Tham khảo để lựa chọn giải pháp làm lạnh phù hợp, giảm chi phí đầu tư và vận hành, nâng cao hiệu quả sản xuất.

  3. Giảng viên và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật nhiệt lạnh: Tài liệu tham khảo quý giá cho giảng dạy và nghiên cứu, đặc biệt về phân tích execgi và ứng dụng hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi.

  4. Các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ môi chất lạnh thân thiện môi trường: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm để phát triển các loại môi chất lạnh mới, nâng cao hiệu suất và giảm tác động môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Chu trình lạnh một cấp có thể đạt được nhiệt độ sôi thấp đến mức nào?
    Nghiên cứu cho thấy chu trình lạnh một cấp sử dụng hỗn hợp môi chất không đồng sôi RTIC có thể đạt nhiệt độ sôi xuống đến -65°C, mở rộng phạm vi ứng dụng so với giới hạn truyền thống khoảng -30°C.

  2. Hiệu suất execgi là gì và tại sao quan trọng?
    Hiệu suất execgi (ηe) đánh giá mức độ sử dụng năng lượng hữu ích trong chu trình, phản ánh tổn thất năng lượng do các quá trình không thuận nghịch. Đây là chỉ số quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí vận hành.

  3. Tại sao sử dụng hỗn hợp môi chất không đồng sôi lại hiệu quả hơn môi chất đơn?
    Hỗn hợp không đồng sôi có nhiệt độ trượt trong quá trình bay hơi và ngưng tụ, giúp kéo dài dải nhiệt độ làm lạnh, giảm tỷ số nén và nhiệt độ cuối tầm nén, từ đó nâng cao hiệu suất chu trình.

  4. Thiết bị hồi nhiệt có vai trò gì trong chu trình lạnh một cấp?
    Thiết bị hồi nhiệt giúp trao đổi nhiệt giữa môi chất lỏng và hơi, giảm tổn thất năng lượng trong quá trình tiết lưu, tăng hệ số lạnh và hiệu suất execgi của chu trình.

  5. Chu trình lạnh một cấp có ưu điểm gì so với chu trình nhiều cấp hoặc ghép tầng?
    Chu trình một cấp đơn giản, ít thiết bị, dễ vận hành, chi phí đầu tư và bảo trì thấp hơn nhiều so với chu trình nhiều cấp hoặc ghép tầng, đặc biệt khi được nâng cao chất lượng để đáp ứng nhiệt độ sôi thấp hơn.

Kết luận

  • Đã xây dựng và thực nghiệm thành công chu trình lạnh một cấp sử dụng hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi RTIC với nhiệt độ sôi -65°C, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về tỷ số nén, hiệu suất năng lượng và nhiệt độ cuối tầm nén.
  • Phân tích execgi cho thấy thiết bị tiết lưu và máy nén là hai thành phần chính gây tổn thất năng lượng, trong khi thiết bị hồi nhiệt giúp cải thiện hiệu suất chu trình đáng kể.
  • Chu trình lạnh một cấp nâng cao chất lượng này có hiệu suất tương đương hoặc vượt trội so với chu trình nhiều cấp truyền thống, đồng thời giảm chi phí đầu tư và vận hành.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới cho kỹ thuật lạnh sâu, ứng dụng trong các ngành công nghiệp cần làm lạnh sâu với chi phí hợp lý.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế và tiếp tục nghiên cứu cải tiến thiết bị, đào tạo nhân lực để phát huy tối đa hiệu quả của chu trình.

Hành động tiếp theo là áp dụng kết quả nghiên cứu vào các dự án công nghiệp, đồng thời phát triển các nghiên cứu mở rộng về môi chất lạnh và thiết bị hỗ trợ nhằm nâng cao hơn nữa hiệu suất và độ bền của hệ thống lạnh một cấp.