Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế và công nghiệp hóa hiện đại, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường trở thành vấn đề cấp thiết được quan tâm rộng rãi. Ngành công nghiệp nhiệt lạnh, đặc biệt là hệ thống điều hòa không khí, tiêu thụ một lượng lớn năng lượng, ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí vận hành và môi trường. Môi chất lạnh CO2 (R744) được xem là giải pháp thân thiện với môi trường nhờ chỉ số làm nóng toàn cầu (GWP) bằng 1, thấp hơn nhiều so với các môi chất lạnh truyền thống như HFC134a (GWP khoảng 1300). Đề tài nghiên cứu lý thuyết xác định năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất CO2 với dàn lạnh kênh mini tại TP. Hồ Chí Minh nhằm mục tiêu tính toán và phân tích năng suất lạnh theo thời gian, góp phần phát triển công nghệ làm lạnh tiết kiệm năng lượng và thân thiện môi trường.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điều hòa không khí CO2 với thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước và không khí, dàn lạnh kênh mini có công suất lạnh khoảng 4200W, trong điều kiện nhiệt độ môi trường đặc trưng của TP. Hồ Chí Minh. Nghiên cứu không chỉ cung cấp các thông số nhiệt động học quan trọng mà còn so sánh kết quả lý thuyết với thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc phát triển các thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ gọn, nâng cao hiệu suất hệ thống lạnh, đồng thời giảm thiểu tác động môi trường do sử dụng môi chất lạnh truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết truyền nhiệt cơ bản gồm:

  • Truyền nhiệt dẫn: Quá trình truyền nhiệt qua vật liệu từ vùng nhiệt độ cao sang thấp, được mô tả bằng hệ số dẫn nhiệt (𝜆).
  • Trao đổi nhiệt đối lưu: Sự truyền nhiệt giữa bề mặt vật rắn và chất lỏng hoặc khí tiếp xúc, bao gồm đối lưu tự nhiên và cưỡng bức, với hệ số tỏa nhiệt α.
  • Trao đổi nhiệt bức xạ: Truyền nhiệt qua sóng điện từ giữa các vật thể không cần tiếp xúc trực tiếp.

Ngoài ra, nghiên cứu sử dụng các đặc tính nhiệt động học của môi chất lạnh CO2 (R744), bao gồm các đồ thị trạng thái p-h, T-s, và các thông số như áp suất tới hạn (73,8 bar), nhiệt độ tới hạn (31,1°C), nhiệt dung riêng, nhiệt ẩn hóa hơi, và các đặc tính vật lý khác. Môi chất CO2 có ưu điểm nổi bật như công suất làm lạnh theo thể tích cao, áp suất vận hành lớn, không độc hại, không cháy, và chỉ số GWP thấp.

Các công thức tính toán năng suất lạnh, công suất nén, và hệ số hiệu quả năng lượng (COP) được áp dụng dựa trên sơ đồ nguyên lý hệ thống điều hòa không khí CO2, với các biểu thức:

$$ N = G \times (i_2 - i_1) $$

$$ Q_{ngưng} = G \times (i_2 - i_3) $$

$$ Q_{lạnh} = G \times (i_1 - i_4) $$

$$ COP = \frac{Q_{lạnh}}{N} $$

với G là lưu lượng khối lượng môi chất, i là entanpy tại các điểm nút.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ các tài liệu khoa học trong và ngoài nước, kết hợp với số liệu thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Xưởng Nhiệt, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu nghiên cứu là hệ thống điều hòa không khí CO2 với dàn lạnh kênh mini công suất 4200W, vận hành trong điều kiện khí hậu TP. Hồ Chí Minh.

Phương pháp chọn mẫu là phương pháp chọn mẫu hệ thống, tập trung vào thiết bị ngưng tụ giải nhiệt nước và không khí, dàn bay hơi kênh mini, máy nén piston Dorin CD 200 – Model 180H, và van tiết lưu Danfoss. Phân tích dữ liệu sử dụng các công thức nhiệt động học, phần mềm tính toán chuyên dụng và so sánh với kết quả thực nghiệm để đánh giá độ chính xác.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2020, bao gồm tổng quan tài liệu, tính toán lý thuyết, thực nghiệm đo đạc, phân tích dữ liệu và hoàn thiện báo cáo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định các thông số nhiệt động học của hệ thống: Tại điểm ngưng tụ, áp suất đạt 73 bar với nhiệt độ 30,5°C, lưu lượng khối lượng môi chất CO2 là 0,02711 kg/s. Năng suất lạnh tính toán đạt khoảng 3965 W, gần với công suất thiết kế 4200 W, sai số dưới 5%.

  2. Hiệu suất truyền nhiệt của dàn bay hơi kênh mini: Hệ số truyền nhiệt tổng hợp được tính là khoảng 88,67 W/m².K, phù hợp với các nghiên cứu trước đó về thiết bị trao đổi nhiệt mini. Diện tích bề mặt truyền nhiệt của dàn bay hơi là 0,066 m²/m, đảm bảo hiệu quả làm lạnh cao trong kích thước nhỏ gọn.

  3. So sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm: Chiều dài ống đồng cần thiết cho thiết bị ngưng tụ được tính toán là 32,43 m, so với chiều dài thực tế 34 m, sai số chỉ 4,62%, cho thấy mô hình tính toán có độ tin cậy cao.

  4. Ảnh hưởng của quá trình quá lạnh: Quá trình quá lạnh từ 30,5°C xuống 29,5°C giúp tăng hiệu suất làm lạnh và giảm áp suất trong hệ thống, góp phần nâng cao COP của hệ thống điều hòa không khí CO2.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân các kết quả đạt được là do môi chất CO2 có công suất làm lạnh theo thể tích cao và áp suất vận hành lớn, giúp thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ gọn nhưng hiệu quả. Việc sử dụng dàn lạnh kênh mini với các kênh nhỏ giúp tăng mật độ truyền nhiệt, giảm kích thước thiết bị, phù hợp với xu hướng thu nhỏ thiết bị trong công nghiệp lạnh.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo về hiệu suất truyền nhiệt và năng suất lạnh của hệ thống CO2. Ví dụ, COP của hệ thống đạt gần 4,0, tương đương hoặc cao hơn so với các hệ thống truyền thống dùng HFC. Các biểu đồ p-h và T-s được sử dụng để minh họa quá trình nhiệt động học, giúp trực quan hóa các trạng thái môi chất trong chu trình.

Kết quả cũng cho thấy việc áp dụng công nghệ dàn lạnh kênh mini và môi chất CO2 là hướng đi mới, góp phần giảm thiểu tác động môi trường do giảm lượng khí thải GWP cao, đồng thời nâng cao hiệu quả năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường ứng dụng dàn lạnh kênh mini trong hệ thống điều hòa CO2: Đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển thiết bị trao đổi nhiệt mini nhằm thu gọn kích thước, tăng mật độ truyền nhiệt, giảm chi phí sản xuất và lắp đặt. Thời gian thực hiện trong 2-3 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ lạnh.

  2. Phát triển máy nén chuyên dụng cho môi chất CO2: Thiết kế và sản xuất máy nén piston hoặc máy nén trục vít phù hợp với áp suất vận hành cao của CO2, nâng cao độ bền và hiệu suất. Mục tiêu tăng COP lên trên 4,0 trong vòng 3 năm, do các nhà sản xuất thiết bị lạnh thực hiện.

  3. Tối ưu hóa quá trình quá lạnh và điều khiển áp suất: Áp dụng các giải pháp điều khiển tự động để duy trì áp suất và nhiệt độ tối ưu, giảm tổn thất năng lượng, nâng cao hiệu quả hệ thống. Thời gian triển khai 1-2 năm, do các trung tâm nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị điều khiển thực hiện.

  4. Đào tạo và phổ biến kiến thức về môi chất CO2 và công nghệ kênh mini: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo chuyên sâu cho kỹ sư, sinh viên và nhà quản lý nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng vận hành hệ thống lạnh CO2. Chủ thể là các trường đại học và tổ chức đào tạo chuyên ngành, thực hiện liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt: Tài liệu cung cấp kiến thức chuyên sâu về môi chất CO2, thiết bị trao đổi nhiệt kênh mini, giúp phục vụ học tập và nghiên cứu khoa học.

  2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống lạnh, điều hòa không khí: Tham khảo để áp dụng các phương pháp tính toán năng suất lạnh, lựa chọn thiết bị phù hợp, tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị lạnh: Nắm bắt xu hướng công nghệ mới, phát triển sản phẩm thân thiện môi trường, nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng, môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các chính sách khuyến khích sử dụng môi chất lạnh thân thiện, thúc đẩy phát triển bền vững ngành công nghiệp lạnh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Môi chất CO2 có ưu điểm gì so với các môi chất lạnh truyền thống?
    CO2 có chỉ số GWP bằng 1, thấp hơn nhiều so với HFC (khoảng 1300-1900), không độc hại, không cháy, có công suất làm lạnh theo thể tích cao và áp suất vận hành lớn giúp thiết bị nhỏ gọn và hiệu quả.

  2. Dàn lạnh kênh mini là gì và có lợi ích gì?
    Dàn lạnh kênh mini là thiết bị trao đổi nhiệt với các kênh nhỏ bên trong ống, tăng mật độ truyền nhiệt, giảm kích thước thiết bị, tiết kiệm vật liệu và chi phí lắp đặt, đồng thời nâng cao hiệu suất làm lạnh.

  3. Làm thế nào để tính năng suất lạnh của hệ thống điều hòa CO2?
    Sử dụng các công thức nhiệt động học dựa trên entanpy tại các điểm nút trong chu trình, kết hợp lưu lượng khối lượng môi chất, tính toán công suất nén, năng suất lạnh và hệ số hiệu quả năng lượng (COP).

  4. Áp suất vận hành cao của CO2 có gây khó khăn gì không?
    Áp suất vận hành cao đòi hỏi thiết kế máy nén và các thiết bị chịu áp lực tốt, chi phí đầu tư ban đầu cao hơn, nhưng bù lại hiệu suất và thân thiện môi trường vượt trội.

  5. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng thực tế như thế nào?
    Kết quả giúp thiết kế hệ thống điều hòa không khí CO2 hiệu quả, lựa chọn thiết bị phù hợp, giảm kích thước và chi phí, đồng thời góp phần giảm phát thải khí nhà kính, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững.

Kết luận

  • Đã xác định được các thông số nhiệt động học và năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí CO2 sử dụng dàn lạnh kênh mini với sai số dưới 5% so với thực nghiệm.
  • Môi chất CO2 thể hiện ưu điểm vượt trội về hiệu suất làm lạnh, thân thiện môi trường với chỉ số GWP thấp nhất trong các môi chất lạnh hiện nay.
  • Dàn lạnh kênh mini giúp thu gọn kích thước thiết bị, tăng mật độ truyền nhiệt, phù hợp với xu hướng công nghiệp hóa thiết bị nhỏ gọn, hiệu quả.
  • Quá trình quá lạnh và điều khiển áp suất đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất hệ thống.
  • Đề xuất các giải pháp phát triển công nghệ, đào tạo và ứng dụng thực tế nhằm thúc đẩy ngành công nghiệp lạnh bền vững.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu thực nghiệm mở rộng, phát triển thiết bị máy nén chuyên dụng và hệ thống điều khiển tự động để nâng cao hiệu quả vận hành. Mời các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp quan tâm phối hợp phát triển ứng dụng công nghệ làm lạnh CO2 thân thiện môi trường.