Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và sự gia tăng lượng khí CO2 trong khí quyển, việc tìm kiếm các giải pháp làm lạnh thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng trở thành ưu tiên hàng đầu. Theo ước tính, lượng CO2 trong không khí hiện đạt khoảng 380 ppm, gây ra hiệu ứng nhà kính và làm nóng lên toàn cầu. Hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất lạnh CO2 (R744) được xem là một trong những giải pháp tiềm năng nhờ tính thân thiện với môi trường, không phá hủy tầng ozone và có chỉ số làm nóng toàn cầu (GWP) thấp. Tuy nhiên, CO2 có áp suất làm việc cao và hiệu suất năng lượng chưa tối ưu, đặc biệt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới như tại TP. Hồ Chí Minh.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu thực nghiệm xác định năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất CO2, với mục tiêu cụ thể là xác định các thông số nhiệt động học và sự thay đổi năng suất lạnh theo thời gian. Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Truyền nhiệt – Xưởng nhiệt, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian từ tháng 3 đến tháng 6 năm 2020. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiểu biết về hiệu suất của hệ thống điều hòa CO2 trong điều kiện thực tế mà còn có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp làm lạnh tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình truyền nhiệt, nhiệt động học và chu trình lạnh nén hơi. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Định luật truyền nhiệt: bao gồm dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt, giúp phân tích sự trao đổi nhiệt trong hệ thống điều hòa không khí. Đặc biệt, truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức được xem xét trong thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi và dàn bay hơi kênh mini.

  • Chu trình lạnh nén hơi với môi chất CO2: nghiên cứu các trạng thái nhiệt động lực học của môi chất CO2 trong chu trình, bao gồm quá trình nén đoạn nhiệt, ngưng tụ, tiết lưu đẳng entanpy và bay hơi. Các khái niệm chính gồm áp suất tới hạn (73,7 bar), nhiệt độ tới hạn (31,1°C), trạng thái siêu tới hạn, và hệ số hiệu quả năng lượng COP.

Các khái niệm chuyên ngành như công suất lạnh (Q0), công nén (N), lưu lượng khối lượng (G), và các điểm nút nhiệt động lực học trong chu trình được sử dụng để phân tích và tính toán hiệu suất hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp với tính toán lý thuyết và mô phỏng. Nguồn dữ liệu chính là các số liệu đo đạc thực tế từ hệ thống điều hòa không khí CO2 tại phòng thí nghiệm, bao gồm:

  • Cỡ mẫu: Hệ thống thực nghiệm với dàn bay hơi kênh mini có công suất lạnh khoảng 4 kW, sử dụng thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi giải nhiệt bằng nước và không khí.

  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn thiết bị và cảm biến đo lường hiện đại như cảm biến nhiệt độ DS-1, cảm biến áp suất Sensys M5256, đồng hồ đo lưu lượng Turbine Flow Meter DGTT-015S để đảm bảo độ chính xác.

  • Phương pháp phân tích: Tính toán các thông số nhiệt động học dựa trên dữ liệu thực nghiệm, xây dựng đồ thị p-h, xác định các điểm nút của chu trình, tính toán công suất lạnh, công nén và hệ số COP theo thời gian. So sánh kết quả thực nghiệm với các nghiên cứu lý thuyết và các điều kiện vận hành khác nhau.

  • Timeline nghiên cứu: Thực nghiệm được tiến hành từ tháng 3 đến tháng 6 năm 2020, với ghi nhận số liệu định kỳ và phân tích chi tiết các trạng thái vận hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến năng suất lạnh và COP: Trong khoảng thời gian từ 13h45 đến 15h30 ngày 31/5/2020, nhiệt độ môi trường giảm từ 34,5°C xuống 32,5°C, tương ứng năng suất lạnh tăng từ 5,17 kW lên 5,67 kW (tăng 9,7%) và hệ số hiệu quả năng lượng COP tăng từ 5,437 lên 5,768 (tăng 6,1%). Trung bình mỗi 15 phút, COP tăng 0,047 và năng suất lạnh tăng 0,071 kW.

  2. Hiệu quả của thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi: Hệ thống sử dụng thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước và không khí cho thấy hệ số hiệu quả năng lượng và năng suất lạnh cao hơn so với dàn làm mát giải nhiệt bằng gió, khẳng định tính ưu việt của giải pháp giải nhiệt kết hợp trong điều kiện khí hậu nhiệt đới.

  3. Đặc tính nhiệt động lực học của môi chất CO2: Áp suất hút và áp suất đẩy giảm nhẹ theo sự giảm nhiệt độ môi trường, trong khi nhiệt độ môi chất ra khỏi dàn lạnh và nhiệt độ gió ra dàn lạnh cũng giảm, cho thấy sự ổn định và hiệu quả của chu trình lạnh CO2 trong điều kiện vận hành thực tế.

  4. Độ chính xác của thiết bị đo và tính toán: Việc sử dụng đồng hồ đo áp suất, cảm biến nhiệt độ và lưu lượng hiện đại giúp thu thập dữ liệu chính xác, hỗ trợ xây dựng đồ thị p-h và bảng điểm nút nhiệt động lực học, từ đó tính toán công suất lạnh và COP một cách tin cậy.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất CO2 có khả năng vận hành hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ môi trường từ 32,5°C đến 34,5°C, phù hợp với khí hậu TP. Hồ Chí Minh. Sự tăng năng suất lạnh và COP khi nhiệt độ môi trường giảm là do giảm áp suất ngưng tụ và tăng hiệu quả trao đổi nhiệt tại thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này tương đồng với các báo cáo về hiệu suất của hệ thống CO2 sử dụng thiết bị ngưng tụ giải nhiệt nước, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng CO2 trong điều hòa không khí tại các vùng khí hậu nhiệt đới. Việc sử dụng thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi giúp giảm tổn thất nhiệt và tăng hiệu quả làm lạnh, góp phần giảm tiêu thụ năng lượng và phát thải khí nhà kính.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ p-h, đồ thị thay đổi nhiệt độ môi trường, COP và năng suất lạnh theo thời gian, giúp trực quan hóa mối quan hệ giữa các biến vận hành và hiệu suất hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế thiết bị ngưng tụ: Khuyến nghị sử dụng thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi giải nhiệt bằng nước kết hợp không khí để nâng cao hiệu suất làm lạnh, giảm áp suất ngưng tụ và tăng COP. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất thiết bị lạnh; Thời gian: 1-2 năm.

  2. Điều chỉnh vận hành hệ thống theo điều kiện môi trường: Áp dụng điều khiển biến tần cho quạt và bơm nhằm điều chỉnh lưu lượng gió và nước làm mát phù hợp với nhiệt độ môi trường, tối ưu hóa năng suất lạnh và tiết kiệm năng lượng. Chủ thể thực hiện: kỹ sư vận hành; Thời gian: ngay trong quá trình vận hành.

  3. Nâng cao công tác kiểm định và bảo trì thiết bị: Do áp suất làm việc cao của môi chất CO2, cần thường xuyên kiểm tra an toàn, bảo trì máy nén và các thiết bị để đảm bảo vận hành ổn định và an toàn. Chủ thể thực hiện: bộ phận bảo trì; Thời gian: định kỳ hàng tháng/quý.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng CO2 trong các hệ thống điều hòa quy mô lớn: Khuyến khích nghiên cứu và thử nghiệm mở rộng hệ thống CO2 cho các tòa nhà thương mại và công nghiệp nhằm đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học; Thời gian: 3-5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt và điện lạnh: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm chi tiết về môi chất CO2, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các hệ thống làm lạnh thân thiện môi trường.

  2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điều hòa không khí: Giúp hiểu rõ đặc tính vận hành, tối ưu hóa thiết kế và điều khiển hệ thống sử dụng CO2, nâng cao hiệu suất và an toàn.

  3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng, môi trường: Cung cấp thông tin khoa học về lợi ích và hạn chế của môi chất CO2 trong điều hòa không khí, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển bền vững.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị lạnh: Tham khảo để cải tiến sản phẩm, áp dụng công nghệ mới, đáp ứng yêu cầu tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Môi chất CO2 có ưu điểm gì so với các môi chất lạnh truyền thống?
    CO2 có chỉ số phá hủy tầng ozone bằng 0 và GWP thấp, không độc hại, không bắt lửa, có sẵn và giá thành thấp. Ngoài ra, CO2 có năng suất lạnh riêng cao và khả năng tương thích tốt với dầu bôi trơn.

  2. Áp suất làm việc cao của CO2 có ảnh hưởng gì đến thiết kế hệ thống?
    Áp suất tới hạn của CO2 là 73,7 bar, cao hơn nhiều so với các môi chất truyền thống, đòi hỏi thiết bị và đường ống phải chịu được áp lực cao, tăng chi phí và yêu cầu kiểm định an toàn nghiêm ngặt.

  3. Hệ số hiệu quả năng lượng (COP) của hệ thống CO2 như thế nào?
    Theo thực nghiệm, COP của hệ thống điều hòa CO2 có thể đạt khoảng 5,4 đến 5,8 trong điều kiện nhiệt độ môi trường từ 32,5°C đến 34,5°C, tương đương hoặc cao hơn so với các hệ thống sử dụng môi chất truyền thống.

  4. Thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi có vai trò gì trong hệ thống?
    Thiết bị này sử dụng nước và không khí để giải nhiệt môi chất, giúp giảm nhiệt độ và áp suất ngưng tụ, từ đó nâng cao hiệu suất làm lạnh và giảm tiêu thụ năng lượng.

  5. Làm thế nào để tối ưu hóa vận hành hệ thống điều hòa CO2?
    Sử dụng biến tần để điều chỉnh tốc độ quạt và bơm, điều chỉnh van tiết lưu phù hợp với điều kiện môi trường, thường xuyên kiểm tra và bảo trì thiết bị để đảm bảo vận hành ổn định và an toàn.

Kết luận

  • Nghiên cứu thực nghiệm đã xác định được các thông số nhiệt động học và sự thay đổi năng suất lạnh của hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất CO2 trong điều kiện thực tế tại TP. Hồ Chí Minh.
  • Kết quả cho thấy năng suất lạnh và hệ số hiệu quả năng lượng COP tăng khi nhiệt độ môi trường giảm, với COP đạt tới 5,768 và năng suất lạnh 5,67 kW trong điều kiện thử nghiệm.
  • Thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi giải nhiệt bằng nước và không khí giúp nâng cao hiệu suất hệ thống so với giải nhiệt bằng gió.
  • Nghiên cứu góp phần làm rõ tiềm năng ứng dụng CO2 trong hệ thống điều hòa không khí thân thiện môi trường, phù hợp với khí hậu nhiệt đới.
  • Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa thiết kế, mở rộng quy mô nghiên cứu và ứng dụng thực tế, đồng thời phát triển các giải pháp điều khiển thông minh nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn vận hành.

Hành động ngay hôm nay: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu này để phát triển các hệ thống điều hòa không khí CO2 hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng.