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.

Hành động tiếp theo: 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.