Nghiên cứu nâng cao hiệu suất máy lạnh nén hơi bằng giải pháp flash gas bypass

Nghiên cứu của HCMUTE về giải pháp flash gas bypass nhằm nâng cao hiệu suất COP cho máy lạnh nén hơi, mang lại hiệu quả năng lượng tối ưu.

• Tác giả: NCS. Đoàn Minh Hùng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nâng Cao Hiệu Suất Máy Lạnh Nén Hơi Với Giải Pháp Flash Gas Bypass
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu vấn đề nghiên cứu
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.3. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.4. Mục tiêu đề tài
• 1.5. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Cách tiếp cận
• 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.6.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.6.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.7. Nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM
• 2.1. Cơ sở lý thuyết về chu trình máy lạnh 1 cấp có quá lạnh và quá nhiệt
• 2.2. Sơ đồ và nguyên lý làm việc
• 2.3. Đồ thị và các công thức tính toán chu trình
• 2.4. Cơ sở tính toán thiết kế
• 2.5. Cơ sở tính toán công suất các thiết bị chính
• 2.6. Tính toán thiết kế thiết bị bay hơi làm lạnh nước
• 2.7. Tính toán cho thiết bị ngưng tụ
• 2.8. Tính toán thiết kế các thiết bị chính
• 2.9. Chọn thông số làm việc và tính toán chu trình
• 2.10. Tính chọn máy nén
• 2.11. Tính toán và thiết kế bình bay hơi
• 2.12. Tính toán và lựa chọn bị ngưng tụ
• 2.13. Thiết kế 3D cho mô hình hệ thống thí nghiệm
• 3. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM
• 3.1. Thông số kỹ thuật của thiết bị đo
• 3.2. Công tơ điện tử
• 3.3. Vận hành hệ thống
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Tỷ số nén
• 4.2. Nhiệt độ và độ quá nhiệt của môi chất
• 4.3. Hệ số làm lạnh
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hiệu suất máy lạnh nén hơi và giải pháp Flash Gas Bypass

Nghiên cứu này tập trung vào hiệu suất máy lạnh nén hơi và phương pháp nâng cao hiệu quả máy lạnh bằng giải pháp flash gas bypass. Hệ thống lạnh nén hơi truyền thống thường gặp vấn đề về độ quá lạnh ở thiết bị ngưng tụ và độ quá nhiệt ở thiết bị bay hơi, dẫn đến tổn thất năng lượng. Giải pháp flash gas bypass (FGB) được đề xuất như một phương pháp hiệu quả nhằm khắc phục những hạn chế này. FGB tách pha lỏng và hơi trong dòng môi chất sau van tiết lưu, cho phép chỉ pha lỏng vào thiết bị bay hơi, trong khi pha hơi được dẫn trở lại đầu hút máy nén. Điều này giúp cải thiện phân phối môi chất, tăng diện tích trao đổi nhiệt và giảm tổn thất áp suất, dẫn đến cải thiện hiệu suất làm lạnh. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của FGB trong việc giảm chi phí vận hành máy lạnh và tiết kiệm năng lượng máy lạnh. Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá hiệu quả thực tiễn của FGB trong điều kiện vận hành khác nhau và phân tích chi tiết cơ chế hoạt động của nó.

1.1. Cơ sở lý thuyết về chu trình máy lạnh và tổn thất năng lượng

Các hệ thống lạnh nén hơi hoạt động dựa trên chu trình nhiệt động lực học, nhưng trong thực tế, luôn có tổn thất. Độ quá lạnh ở thiết bị ngưng tụ và quá nhiệt ở thiết bị bay hơi là hai yếu tố chính gây tổn thất. Máy lạnh nén hơi truyền thống sử dụng van tiết lưu, dẫn đến dòng môi chất hai pha (lỏng-hơi) vào thiết bị bay hơi. Điều này làm giảm hiệu quả truyền nhiệt do sự chiếm chỗ của pha hơi và phân phối môi chất không đều. Tổn thất áp suất trong hệ thống cũng ảnh hưởng đến hiệu suất. Vận hành máy lạnh hiệu quả đòi hỏi tối thiểu hóa những tổn thất này. Công nghệ làm lạnh hiện đại liên tục tìm kiếm giải pháp cải thiện hiệu suất, giảm thiểu tác động môi trường. Áp suất làm lạnh, nhiệt độ độ làm lạnh và chu trình làm lạnh là những yếu tố quan trọng cần được kiểm soát để đạt hiệu quả tối ưu. Hiệu suất máy lạnh được đo bằng hệ số COP (Coefficient of Performance), đại diện cho tỉ số giữa công suất lạnh tạo ra và công suất tiêu thụ. Tối ưu hóa chu trình làm lạnh là mục tiêu chính của nhiều nghiên cứu nhằm nâng cao COP.

1.2. Giới thiệu giải pháp Flash Gas Bypass FGB

Giải pháp flash gas bypass (FGB) là một công nghệ tiên tiến nhằm nâng cao hiệu suất máy lạnh nén hơi. Khác với hệ thống truyền thống, FGB sử dụng một thiết bị tách lỏng-hơi để phân tách dòng môi chất hai pha sau van tiết lưu. Pha lỏng được dẫn đến thiết bị bay hơi, đảm bảo truyền nhiệt hiệu quả. Pha hơi, hay flash gas, được dẫn trở lại đầu hút máy nén, giúp giảm độ quá nhiệt và cải thiện quá trình nén. Bypass flash gas này giúp giảm tổn thất áp suất trong hệ thống và tăng hiệu quả làm việc của máy nén. Hệ thống flash gas bypass hoạt động dựa trên nguyên lý cân bằng nhiệt động lực học, tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt và nén. Ứng dụng flash gas bypass đang được mở rộng trong các hệ thống lạnh khác nhau, đem lại hiệu quả đáng kể về năng lượng và chi phí. Lợi ích của flash gas bypass bao gồm tăng COP, giảm công suất tiêu thụ, và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Thiết kế hệ thống flash gas bypass cần được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả tối ưu.

II. Phân tích hiệu quả của giải pháp Flash Gas Bypass

Phần này sẽ tập trung phân tích hiệu quả của flash gas bypass. Phân tích nhiệt động lực học sẽ được thực hiện để chứng minh sự cải thiện về COP. Các số liệu thực nghiệm từ nghiên cứu sẽ được trình bày, bao gồm các chỉ số quan trọng như tỷ số nén, nhiệt độ và độ quá nhiệt của môi chất, và hệ số làm lạnh. So sánh các giải pháp flash gas bypass khác nhau sẽ được thực hiện để tìm ra giải pháp tối ưu. Phân tích kinh tế sẽ được tiến hành để đánh giá sự tiết kiệm năng lượng và chi phí do FGB mang lại. Nghiên cứu flash gas bypass cho thấy nhiều tiềm năng trong việc nâng cao hiệu suất hệ thống lạnh.

2.1. Kết quả thực nghiệm và phân tích số liệu

Nghiên cứu đã thực hiện thí nghiệm trên hệ thống lạnh sử dụng môi chất R124a. Kết quả cho thấy, giải pháp flash gas bypass mang lại hiệu quả đáng kể. Độ chênh áp của thiết bị bay hơi trong hệ thống FGB thấp hơn so với hệ thống truyền thống. Tỷ số nén thực tế cũng thấp hơn, cho thấy hiệu suất máy nén được cải thiện. Độ quá nhiệt tại đầu hút máy nén giảm đáng kể. Quan trọng nhất, hệ số làm lạnh (COP) của hệ thống FGB cao hơn đáng kể so với hệ thống truyền thống, từ 2,8% đến 4,7%. Những kết quả này chứng minh hiệu quả của flash gas bypass trong việc nâng cao hiệu suất hệ thống lạnh. Phân tích nhiệt độ và áp suất tại các điểm khác nhau trong chu trình cho thấy sự cải thiện rõ rệt. Mô hình hóa flash gas bypass giúp hiểu rõ hơn cơ chế hoạt động và tối ưu hóa thiết kế.

2.2. So sánh với các giải pháp khác và phân tích kinh tế

Kết quả nghiên cứu đã được so sánh với các phương pháp khác để nâng cao hiệu suất máy lạnh. FGB cho thấy hiệu quả vượt trội so với các phương pháp truyền thống. Phân tích kinh tế cho thấy FGB giúp giảm chi phí vận hành máy lạnh đáng kể nhờ tiết kiệm năng lượng. Thời gian hoàn vốn đầu tư cho hệ thống FGB cũng khá ngắn, chứng tỏ tính khả thi kinh tế cao. Lập đặt flash gas bypass không quá phức tạp, dễ dàng tích hợp vào hệ thống hiện có. Bảo dưỡng flash gas bypass cũng đơn giản, giúp giảm chi phí bảo trì. Phân tích hiệu quả kinh tế cần xem xét nhiều yếu tố như chi phí đầu tư ban đầu, chi phí vận hành, tuổi thọ thiết bị, giá năng lượng... Xu hướng công nghệ flash gas bypass đang phát triển mạnh mẽ, hứa hẹn nhiều ứng dụng trong tương lai.

III. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của giải pháp flash gas bypass trong việc nâng cao hiệu suất máy lạnh nén hơi. FGB giúp cải thiện COP, giảm tổn thất năng lượng, và giảm chi phí vận hành. Nghiên cứu khuyến nghị ứng dụng rộng rãi FGB trong các hệ thống lạnh để tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Bảo trì máy lạnh cần được chú trọng để đảm bảo hiệu quả hoạt động lâu dài. Nghiên cứu flash gas bypass cần được tiếp tục để tối ưu hóa thiết kế và mở rộng ứng dụng trong các điều kiện vận hành khác nhau. Cải thiện hiệu suất làm lạnh là mục tiêu quan trọng của ngành công nghiệp lạnh.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống máy lạnh nén hơi là một trong những công nghệ làm lạnh phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong điều hòa không khí và các ngành công nghiệp. Theo ước tính, hiệu suất làm lạnh của các hệ thống này còn nhiều hạn chế do tổn thất năng lượng trong quá trình vận hành, đặc biệt là ở các thiết bị bay hơi và máy nén. Nghiên cứu thực nghiệm nâng cao hệ số làm lạnh (COP) cho máy lạnh nén hơi bằng giải pháp Flash Gas Bypass (FGB) được thực hiện nhằm giải quyết vấn đề này. Mục tiêu chính của đề tài là nâng cao hiệu quả làm lạnh cho hệ thống lạnh sử dụng môi chất R134a, công suất máy nén nhỏ hơn hoặc bằng 1HP, trong phạm vi thời gian từ tháng 3/2018 đến tháng 5/2019 tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Giải pháp FGB tập trung vào việc tách pha hơi bão hòa ẩm sau van tiết lưu, cho phép bypass lượng hơi này trực tiếp về đầu hút máy nén, giảm tổn thất áp suất và công suất tiêu thụ của máy nén. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng FGB giúp giảm độ chênh áp của thiết bị bay hơi từ 0,1 đến 0,2 bar, giảm tỷ số nén thực của máy nén từ 0,3 đến 0,5, đồng thời giảm độ quá nhiệt tại đầu hút máy nén từ 1°C đến 2°C. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số làm lạnh của hệ thống FGB cao hơn từ 2,8% đến 4,7% so với hệ thống tiết lưu trực tiếp (DX). Những cải tiến này không chỉ góp phần tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống lạnh, có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh phát triển bền vững và giảm phát thải khí nhà kính.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết chu trình máy lạnh 1 cấp nén hơi với các trạng thái nhiệt động lực học được mô tả trên đồ thị lgp-h và T-s. Chu trình bao gồm các quá trình: nén đoạn nhiệt đẳng entropy, ngưng tụ đẳng áp, tiết lưu đoạn nhiệt đẳng enthalpy và bay hơi đẳng áp. Các khái niệm chính bao gồm:

• Hệ số làm lạnh (COP): Tỷ số giữa công suất lạnh thu được và công suất điện tiêu thụ.
• Độ quá lạnh và độ quá nhiệt: Các thông số thể hiện trạng thái nhiệt độ của môi chất tại các điểm trong chu trình.
• Flash Gas Bypass (FGB): Giải pháp tách pha hơi bão hòa ẩm sau van tiết lưu, cho phép bypass lượng hơi này về đầu hút máy nén nhằm giảm tổn thất áp suất và công suất tiêu thụ.
• Tỷ số nén thực: Tỷ số áp suất tuyệt đối tại đầu đẩy và đầu hút máy nén, ảnh hưởng trực tiếp đến công suất tiêu thụ của máy nén.
• Thiết bị bay hơi dạng ống vỏ: Thiết bị trao đổi nhiệt chính trong hệ thống, nơi môi chất hấp thụ nhiệt từ chất tải lạnh (nước).

Ngoài ra, các mô hình tính toán thiết kế thiết bị bay hơi, thiết bị ngưng tụ và máy nén được áp dụng dựa trên các công thức truyền nhiệt, động lực học chất lỏng và nhiệt động lực học môi chất lạnh R134a.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp với tính toán thiết kế hệ thống thí nghiệm. Cỡ mẫu là một hệ thống lạnh công suất nhỏ (≤1HP) sử dụng môi chất R134a, được thiết kế và lắp đặt tại phòng thí nghiệm Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn hệ thống tiêu chuẩn phù hợp với mục tiêu nghiên cứu.

Quá trình nghiên cứu gồm các bước:

• Tính toán thiết kế chi tiết các thiết bị chính: bình bay hơi, thiết bị ngưng tụ, máy nén.
• Thiết kế mô hình 3D hệ thống thí nghiệm bằng phần mềm SolidWorks nhằm tối ưu bố trí và giảm thiểu tổn thất.
• Lắp đặt hệ thống thí nghiệm với hai chế độ vận hành: tiết lưu trực tiếp (DX) và sử dụng bộ tách hơi Flash Gas Bypass (FGB).
• Thu thập dữ liệu vận hành gồm áp suất, nhiệt độ môi chất tại các điểm nút, lưu lượng nước lạnh, dòng điện và điện áp tiêu thụ.
• Phân tích dữ liệu thực nghiệm để so sánh các chỉ số hiệu suất như độ chênh áp, tỷ số nén, độ quá nhiệt và hệ số làm lạnh giữa hai chế độ.
• Thời gian nghiên cứu từ tháng 3/2018 đến tháng 5/2019, đảm bảo thu thập dữ liệu trong điều kiện nhiệt độ môi trường từ 29°C đến 32°C và áp suất sau tiết lưu từ 2,7 bar đến 3,5 bar.

Phương pháp phân tích dữ liệu sử dụng các công thức nhiệt động lực học và thống kê mô tả để đánh giá sự khác biệt và hiệu quả của giải pháp FGB so với DX.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ chênh áp của thiết bị bay hơi: Trong điều kiện áp suất sau tiết lưu từ 2,7 đến 3,5 bar, độ chênh áp của bình bay hơi trong chế độ FGB thấp hơn so với chế độ DX từ 0,1 đến 0,2 bar. Điều này chứng tỏ lượng hơi bão hòa ẩm được tách ra và bypass về đầu hút máy nén giúp giảm trở lực trong thiết bị bay hơi.

2. Tỷ số nén thực của máy nén: Tỷ số nén tuyệt đối tại đầu đẩy và đầu hút máy nén trong chế độ FGB thấp hơn so với DX từ 0,3 đến 0,5. Kết quả này tương ứng với việc giảm công suất tiêu thụ của máy nén, giúp tiết kiệm năng lượng.

3. Nhiệt độ và độ quá nhiệt môi chất: Nhiệt độ môi chất ra khỏi thiết bị bay hơi trong chế độ FGB dao động từ 10,4°C đến 11,8°C, cao hơn DX khoảng 0,5°C. Độ quá nhiệt tại đầu hút máy nén của FGB thấp hơn DX từ 1°C đến 2°C, do lượng hơi bão hòa ẩm được hòa trộn với hơi quá nhiệt, làm giảm nhiệt độ đầu hút.

4. Hệ số làm lạnh (COP): COP của hệ thống FGB đạt từ 3,35 đến 3,6, cao hơn DX từ 2,8% đến 4,7%. Kết quả này cho thấy giải pháp FGB cải thiện hiệu suất làm lạnh rõ rệt, đặc biệt khi áp suất bay hơi thấp.

Thảo luận kết quả

Việc giảm độ chênh áp trong thiết bị bay hơi nhờ tách pha hơi bão hòa ẩm giúp giảm tổn thất áp suất, làm giảm công suất tiêu thụ của máy nén. Tỷ số nén thấp hơn trong chế độ FGB phản ánh công suất nén thực tế giảm, đồng nghĩa với việc tiết kiệm điện năng. Độ quá nhiệt giảm tại đầu hút máy nén cũng góp phần giảm nhiệt độ đầu đẩy, kéo dài tuổi thọ máy nén và tăng hiệu quả vận hành.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này phù hợp với các báo cáo cho thấy FGB có thể nâng cao COP từ 3% đến 9% tùy điều kiện vận hành và môi chất sử dụng. Việc áp dụng FGB không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu tác động môi trường do tiết kiệm năng lượng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ chênh áp, tỷ số nén, nhiệt độ và COP giữa hai chế độ DX và FGB, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp. Bảng tổng hợp các thông số vận hành cũng hỗ trợ phân tích chi tiết.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng giải pháp Flash Gas Bypass trong các hệ thống lạnh công nghiệp và điều hòa không khí nhằm nâng cao hiệu suất làm lạnh và tiết kiệm năng lượng, đặc biệt với các hệ thống sử dụng môi chất R134a và công suất máy nén nhỏ hơn 1HP. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: các doanh nghiệp sản xuất và lắp đặt hệ thống lạnh.

2. Nghiên cứu mở rộng ảnh hưởng của FGB đến kích thước và thiết kế dàn bay hơi để tối ưu hóa hiệu suất trao đổi nhiệt và giảm tổn thất áp suất. Thời gian: 12 tháng, chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.

3. Đánh giá tác động của FGB đến các thiết bị van tiết lưu, đặc biệt là van mao hoặc van tay, nhằm đảm bảo sự ổn định và hiệu quả vận hành của toàn hệ thống. Thời gian: 6 tháng, chủ thể: các nhà sản xuất thiết bị lạnh.

4. Phát triển hệ thống điều khiển tự động cho FGB, bao gồm van điều chỉnh lượng hơi tách và cảm biến áp suất, nhiệt độ để tối ưu hóa vận hành theo điều kiện tải thực tế. Thời gian: 9 tháng, chủ thể: các công ty công nghệ và nghiên cứu.

5. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ FGB cho kỹ sư và kỹ thuật viên trong ngành lạnh, nhằm nâng cao nhận thức và khả năng ứng dụng giải pháp này rộng rãi. Thời gian: liên tục, chủ thể: các trường đại học và trung tâm đào tạo nghề.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Nhiệt lạnh: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về nâng cao hiệu suất hệ thống lạnh, hỗ trợ nghiên cứu sâu hơn và phát triển công nghệ mới.

2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống lạnh công nghiệp: Tham khảo để áp dụng giải pháp FGB trong thiết kế và vận hành nhằm tiết kiệm năng lượng và tăng tuổi thọ thiết bị.

3. Doanh nghiệp sản xuất và lắp đặt thiết bị lạnh, điều hòa không khí: Nắm bắt công nghệ mới giúp cải tiến sản phẩm, nâng cao hiệu quả cạnh tranh và đáp ứng yêu cầu tiết kiệm năng lượng.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định thúc đẩy ứng dụng công nghệ tiết kiệm năng lượng trong ngành lạnh.

Câu hỏi thường gặp

1. Flash Gas Bypass là gì và nó hoạt động như thế nào?
   Flash Gas Bypass là giải pháp tách pha hơi bão hòa ẩm sau van tiết lưu, cho phép bypass lượng hơi này trực tiếp về đầu hút máy nén. Điều này giảm lượng hơi đi qua thiết bị bay hơi, giảm tổn thất áp suất và công suất tiêu thụ máy nén, từ đó nâng cao hiệu suất làm lạnh.

2. Giải pháp FGB có thể áp dụng cho những loại hệ thống lạnh nào?
   FGB phù hợp với các hệ thống lạnh nén hơi sử dụng môi chất R134a, đặc biệt là các hệ thống có công suất máy nén nhỏ hơn hoặc bằng 1HP. Nó cũng có thể được điều chỉnh để áp dụng cho các hệ thống công nghiệp và điều hòa không khí quy mô nhỏ đến vừa.

3. Mức độ cải thiện hiệu suất khi sử dụng FGB là bao nhiêu?
   Theo kết quả thực nghiệm, hệ số làm lạnh (COP) của hệ thống sử dụng FGB tăng từ 2,8% đến 4,7% so với hệ thống tiết lưu trực tiếp. Mức cải thiện này có thể lớn hơn khi áp suất bay hơi thấp hoặc trong các điều kiện vận hành tối ưu.

4. Có những hạn chế hoặc thách thức nào khi triển khai FGB?
   Một số thách thức bao gồm việc thiết kế và điều chỉnh bộ tách hơi phù hợp, ảnh hưởng đến kích thước dàn bay hơi và van tiết lưu. Ngoài ra, cần nghiên cứu thêm về tác động của FGB đến các thông số vận hành khác để đảm bảo sự ổn định và hiệu quả lâu dài.

5. Làm thế nào để đo lường và đánh giá hiệu quả của FGB trong thực tế?
   Hiệu quả được đánh giá thông qua các thông số như độ chênh áp của thiết bị bay hơi, tỷ số nén máy nén, độ quá nhiệt tại đầu hút máy nén và hệ số làm lạnh (COP). Việc thu thập dữ liệu thực nghiệm với các thiết bị đo áp suất, nhiệt độ, lưu lượng và dòng điện là cần thiết để phân tích chính xác.

Kết luận

• Giải pháp Flash Gas Bypass đã được chứng minh thực nghiệm giúp giảm độ chênh áp thiết bị bay hơi từ 0,1 đến 0,2 bar và giảm tỷ số nén máy nén từ 0,3 đến 0,5.
• Độ quá nhiệt tại đầu hút máy nén giảm từ 1°C đến 2°C, góp phần giảm nhiệt độ đầu đẩy và công suất tiêu thụ.
• Hệ số làm lạnh (COP) của hệ thống FGB cao hơn từ 2,8% đến 4,7% so với hệ thống tiết lưu trực tiếp, đặc biệt hiệu quả khi áp suất bay hơi thấp.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở thiết kế, vận hành và ứng dụng thực tế cho các hệ thống lạnh công suất nhỏ sử dụng môi chất R134a.
• Đề xuất các nghiên cứu tiếp theo về ảnh hưởng của FGB đến thiết kế thiết bị và vận hành hệ thống, đồng thời khuyến khích ứng dụng rộng rãi giải pháp này trong ngành lạnh.

Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai ứng dụng FGB, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng để tối ưu hóa hiệu quả và độ bền của hệ thống lạnh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu vấn đề nghiên cứu Các hệ thống lạnh nén hơi thực làm việc với chu trình 1 cấp nén luôn luôn có độ quá lạnh ở thiết bị ngưng tụ và độ quá nhiệt ở thiết bị bay hơi, đồng thời quá trình nén thực của máy nén luôn có tổn thất năng lượng và luôn có độ giảm áp của môi chất lạnh khi qua thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi. Ví dụ đồ thị chu trình máy lạnh 1 cấp nén được trình bày như hình 1. Đồ thị lgp-h của máy lạnh 1 cấp nén Từ đồ thị hình 1.1 ta thấy môi chất sau quá trình tiết lưu có trạng thái là 5, đây là trạng thái hơi bão hòa ẩm (lỏng + hơi) và tỉ lệ lượng lỏng và hơi này tùy thuộc vào loại môi chất lạnh và các thông số vận hành mà có giá trị khác nhau có thể từ 15% đến 35% lượng môi chất đã bay hơi. Lượng môi chất sau quá trình tiết lưu đã bay hơi thì lượng hơi này đi qua thiết bị bay hơi cũng không có giá trị về mặt trao đổi nhiệt với môi trường cần làm lạnh.

Vậy nếu ta tách toàn bộ lượng môi chất đã bay hơi, không cho đi qua thiết bị bay hơi mà cho bypass về sau thiết bị bay hơi có thể về trước đầu hút máy nén thì có thể giảm được một năng lượng cần thiết để vận chuyển toàn bộ lượng hơi trên đi qua toàn bộ chiều dài đường ống của thiết bị bay hơi. Quá trình này được thể hiện như trên hình 1. 4 Luan van lgp 2' 4 3 6'' 5' 5 1 6' 1' h .2: Đồ thị chu trình máy lạnh 1 cấp nén sử dụng phương pháp flash gas bypass Lượng hơi sau khi được tách ra cho bypass về đầu hút máy nén kết hợp với hơi quá nhiệt sau thiết bị bay hơi để làm giảm độ quá nhiệt. Thực vậy khi áp suất đầu hút máy nén tăng, nhiệt độ đầu hút giảm làm cho nhiệt độ đầu đẩy cũng giảm theo và độ chênh áp của thiết bị ngưng tụ cũng giảm và công nén thực cũng sẽ giảm khi có cùng một năng suất lạnh.

Tất cả những điều này sẽ dẫn đến hệ số làm lạnh của máy lạnh sẽ được nâng cao.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Chu trình lạnh được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ nông nghiệp, công nghiệp đến các ngành dịch vụ và trong đời sống hàng ngày của con người, nhiều nghiên cứu về cả lý thuyết và thực nghiệm đã và đang thực hiện nhằm phân tích những tác động ảnh hưởng đến hệ số hiệu quả năng lượng của chu trình với mục tiêu tăng COP tới mức tối ưu như: S. Devotta cùng các cộng sự [1] đã tìm kiếm các lựa chọn thay thế cho HCFC – 22 trong điều hòa không khí. NIST CYCLE_D đã được sử dụng cho việc so sánh các phân tích về nhiệt động lực học. Trong số các môi chất lạnh được nghiên cứu (HFC134a, HC290, R407C, R410A và ba hỗn hợp HFC32, HFC134a và HFC125), HFC134a cung cấp COP cao nhất, nhưng công suất của nó ở mức thấp nhất và yêu cầu máy nén lớn hơn nhiều so với các môi chất cùng được so sánh.

Pamela Reasor và các cộng sự [2] thực hiện một cuộc điều tra so sánh hiệu suất làm lạnh của R1234yf với R134a, R410A. Mô phỏng được tiến hành để xác 5 Luan van định tính khả thi của việc sử dụng R1234yf như là một thay thế cho R134a hoặc R410A. Jain Siddharth và các cộng sự [3] đã phân tích định lượng các lợi ích tiềm năng của phun hơi trong máy nén xoắn. Đối với ứng dụng trong cùng điều kiện điều hòa không khí, COP của hệ thống tăng từ 6% – 8%, thể tích hút giảm 16%.

Trong ứng dụng làm lạnh, COP hệ thống tăng 10% – 12%, thể tích nén giảm 28%. Gustavo Pöttker [4] đã nghiên cứu thực nghiệm và đưa ra ba cơ hội khác nhau trong việc tăng COP trong hệ thống nén hơi gồm: sử dụng các đầu phun phục hồi, quá lạnh dàn ngưng tụ và tăng kích thước tương đối của bộ trao đổi nhiệt. Christian Lucas và các cộng sự [5] cũng nghiên cứu thực nghiệm về việc cải thiện COP trong chu trình lạnh bằng việc sử dụng thiết bị phun. Nghiên cứu này chỉ ra rằng, so với COP tối đa của chu trình sử dụng van tiết lưu, COP của chu trình sử dụng thiết bị phun này tăng 17% với môi chất CO2.

Bahman và các cộng sự [6] cũng đề xuất sử dụng máy nén dạng phun hơi với bộ tiết kiệm để cải thiện hiệu suất hệ thống điều hòa không khí dạng cụm. Kết quả cho thấy nhiệt độ đầu đẩy của máy nén giảm đến 5°C, cải thiện công suất lạnh và COP tương ứng lên tới 12,7% và 3,1%. Nghiên cứu thực nghiệm về tác dụng của việc quá lạnh bình ngưng đối với hiệu suất của một hệ thống điều hòa không khí hoạt động với môi chất R134a và R1234yf., Hrnjak, P [7] đã chỉ ra rằng trong một điều kiện hoạt động nhất định, COP hệ thống tăng lên đến 18% cho R1234yf và 9% cho R134a. Bahman và Eckhard A.

Groll [8] đã ứng dụng mạch sắp xếp xen kẽ để cải thiện hiệu suất của thiết bị bay hơi và COP của hệ thống điều hòa không khí dạng cụm. Ứng dụng này giúp cải thiện công suất lạnh và COP tương ứng lên tới 16,6% và 12,4%. Nghiên cứu của Bowers, Chad D. và các cộng sự [9] cho thấy rằng sự phân bổ các dòng môi chất lỏng, đặc biệt là ở thiết bị bay hơi, bên cạnh đó, hiện tượng ở đầu vào của thiết bị là dòng chảy ngược và nhảy thủy lực đã được quan sát thấy có thể làm giảm hiệu suất truyền nhiệt của thiết bị, do đó làm giảm hiệu quả và năng suất của hệ thống.

Hoon Kang và các cộng sự [10] cũng nghiên cứu ảnh hưởng của sự tạo bọt khí ở ngay đầu vào của van tiết lưu điện tử bằng tỉ số “flash gas”. Khi tỉ số này tăng, công suất lạnh trung bình của hệ thống giảm nhiều so với việc giảm lượng điện năng tiêu thụ, dẫn đến COP trung bình của hệ thống và nhiệt độ đầu đẩy của máy nén tăng. Hiện tượng dòng chảy ngược được nghiên cứu chi tiết bởi Hanfei Tuo, Pega Hrnjak [11,12]. Các nghiên cứu này đã chỉ ra ba ảnh hưởng của dòng chảy ngược đến hiệu quả làm việc của thiết bị bay hơi, bao gồm: hạn chế sự phân phối lỏng; giảm hệ số truyền nhiệt; tăng tổn thất áp suất phía môi chất lạnh.

Đồng thời xác định được lưu lượng dòng chảy ngược và mô phỏng các biến động sôi của R-134a trong thiết bị bay hơi kênh micro 6 Luan van trong hệ thống điều hòa không khí. Từ các nghiên cứu trên, ta có thể thấy rằng, sau khi qua van tiết lưu nếu trực tiếp đưa dòng hơi bão hòa ẩm vào thiết bị bay hơi thì: phân phối lỏng không đều, sự chiếm chỗ của pha hơi – điều mà trước đó là một phần nguyên lý của chu trình lạnh – làm giảm diện tích trao đổi nhiệt. Một giải pháp được đề xuất đó là thông hơi và bỏ qua dòng hơi tích tụ ngay đầu vào của thiết bị bay hơi. Thuật ngữ Flash Gas Bypass (FGB) hay Flash tank xuất hiện như là một cách tiếp cận mới trong việc tách lỏng – hơi trong hệ thống điều hòa không khí, bơm nhiệt và một số hệ thống khác giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.

Dòng hơi bão hòa ẩm được tách ra thành pha lỏng và pha hơi. Hơi được đưa trực tiếp về đầu hút của máy nén và chỉ có lỏng được đi vào thiết bị bay hơi. Điều này giải quyết vấn đề phân phối lỏng, diện tích trao đổi nhiệt và tổn thất áp suất trong thiết bị bay hơi. Stefan Elbel, Pega Hrnjak [13] đã chứng minh rằng cách tiếp cận này có khả năng cải thiện COP hệ thống điều hòa không khí khi so sánh thử nghiệm với một hệ thống tiết lưu trực tiếp (DX) thông thường môi chất R744.

So sánh này cho thấy rằng FGB tăng đồng thời công suất lạnh và COP tương ứng lên tới 9 và 7%. Hanfei Tuo, Pega Hrnjak [14,15,16] tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của của FGB trong hệ thống điều hòa không khí di động sử dụng môi chất R134a (với dàn lạnh micro 1 pass). Các nghiên cứu này cho thấy khi hoạt động ở cùng tốc độ nén, hệ thống ở chế độ FGB có công suất lạnh tăng thêm 13% - 18% và COP cao hơn 4% - 7% so với chế độ DX. Khi tốc độ nén được điều chỉnh để duy trì cùng công suất lạnh, COP được cải thiện 37% - 55%.

Bên cạnh đó, các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc loại bỏ khí ở thiết bị bay hơi giúp cải thiện việc phân phối môi chất lạnh và giảm sụt áp trong thiết bị bay hơi kênh micro, do đó làm tăng hiệu quả hệ thống.Patil [17] cũng chỉ ra rằng khi hệ thống được vận hành ở cùng điều kiện tải, COP thực tế ở chế độ FGB tăng lên 1,27% đến 7,28%, COP lý thuyết khoảng 2,07% đến 5,93% và COP trong chu trình Carnot là 2,38% đến 7,42% so với chế độ DX. Ở chế độ FGB, tổn thất áp suất ở thiết bị bay hơi ít hơn khoảng 0,1 bar, do tổn thất áp suất ít đi nên công máy nén giảm 9% và nhiệt độ đầu đẩy giảm 2oC – 4oC. Gustavo Pottker và cộng sự [18] thực hiện sự so sánh giữa hệ thống FGB và một hệ thống thông thường (CV) bằng thực nghiệm để định lượng COP tăng do cấp lỏng hoàn toàn cho thiết bị bay hơi. Kết quả cho thấy COP cải thiện dao động từ 4,9% đến 9,0%.

Các cơ chế cải tiến là giảm tổn thất áp suất phía môi chất trong thiết bị bay hơi. Hwang, Yunho và các cộng sự [19] đã nghiên cứu thực nghiệm một chiến lược kiểm soát hệ thống phun hơi môi chất R410a với “ flash tank”. Thiết bị “flash tank” này được trang bị một mắt kính để theo dõi mức lỏng của môi chất và thấy được sự tách pha lỏng 7 Luan van – hơi của môi chất. Các thí nghiệm cho thấy rằng mức lỏng duy trì trong “ flash tank” nên ở mức từ 40% - 60% chiều cao bình để đảm bảo việc tách pha đáng tin cậy hơn.

Ye Liu và các cộng sự [20] đã nghiên cứu hiệu suất của chu trình làm lạnh phun hơi tăng cường (EERC) với bộ tiết kiệm flash tank cho việc sử dụng ở mức nhiệt thấp. Nghiên cứu so sánh hiệu suất của chu trình sử dụng “flash tank” và vòi phun phụ trợ với chu trình nén hơi thông thường (CERC).