Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh tiêu thụ năng lượng toàn cầu ngày càng gia tăng, lĩnh vực kỹ thuật lạnh và điều hòa không khí (HVAC) chiếm tỷ trọng lớn trong tổng năng lượng sử dụng, với khoảng 16% sản lượng điện toàn cầu năm 2016 và dự báo tăng lên 30% vào năm 2030. Ở Việt Nam, thị trường lạnh và điều hòa không khí đã có giai đoạn tăng trưởng mạnh mẽ với tốc độ 2 con số trong nhiều năm trước đại dịch Covid-19, dù chịu ảnh hưởng giảm khoảng 8% trong hai năm gần đây. Nhu cầu cải thiện hiệu quả năng lượng trong hệ thống lạnh là cấp thiết nhằm giảm chi phí vận hành và tác động môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu và tính toán chu trình lạnh sử dụng ejector hai pha nhằm tăng hiệu quả năng lượng, đặc biệt với môi chất lạnh CO2 (R744) – một môi chất thân thiện với môi trường, có chỉ số GWP gần như bằng không và ODP bằng không. Tuy nhiên, CO2 có điểm tới hạn thấp (khoảng 31,1°C) và áp suất vận hành cao, gây tổn thất lớn trong quá trình tiết lưu đẳng entanpy, làm giảm hiệu suất hệ thống. Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình toán học cho ejector hai pha trong chu trình lạnh, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và đề xuất giải pháp nâng cao hệ số hiệu quả năng lượng (COP).

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào chu trình lạnh sử dụng máy nén kép kết hợp ejector hai pha, với mô hình tính toán dựa trên phần mềm EES, áp dụng cho môi chất CO2 trong khoảng nhiệt độ bay hơi từ -30°C đến -100°C và áp suất ngưng tụ từ 35 đến 50 bar. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ làm lạnh tiết kiệm năng lượng, góp phần giảm tiêu thụ điện năng và bảo vệ môi trường trong ngành kỹ thuật lạnh và điều hòa không khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Nguyên lý hoạt động của ejector hai pha: Ejector hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi áp suất và động năng của dòng sơ cấp (primary flow) để hút và nén dòng thứ cấp (secondary flow). Các thành phần chính gồm vòi phun hội tụ-phân kỳ, buồng hút, buồng hòa trộn và bộ khuếch tán. Tỷ số lôi cuốn (𝜇) và tỷ số nâng áp suất (rp) là các chỉ số quan trọng đánh giá hiệu suất ejector.

  • Chu trình lạnh máy nén kép (CPRC) và chu trình lạnh kết hợp ejector (EPRC): Chu trình CPRC sử dụng hai máy nén hoạt động song song để giảm tải và tăng hiệu suất. Chu trình EPRC tích hợp ejector hai pha nhằm tách pha, thực hiện quá lạnh, giảm tải và tổn thất cho máy nén, từ đó nâng cao hệ số COP.

  • Các khái niệm chính: Hệ số hiệu quả năng lượng (COP), áp suất ngưng tụ (Pdis), áp suất trung gian (Ptg), nhiệt độ bay hơi (Te), độ quá lạnh (∆Tsub), hiệu suất các thành phần (𝜂𝑛, 𝜂𝑚, 𝜂𝑑).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng dữ liệu thực nghiệm và các kết quả nghiên cứu đã công bố về môi chất lạnh CO2, các thông số vận hành của hệ thống lạnh và ejector.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học cho ejector hai pha và chu trình lạnh EPRC dựa trên nguyên lý bảo toàn năng lượng, động lượng và các giả định hợp lý về quá trình dòng chảy. Mô hình được lập trình và tính toán trên phần mềm EES.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình áp dụng cho chu trình lạnh công suất 10 kW, với phạm vi nhiệt độ bay hơi từ -30°C đến -100°C, áp suất ngưng tụ từ 35 đến 50 bar, phù hợp với điều kiện vận hành thực tế của hệ thống lạnh thương mại và công nghiệp.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2023, bao gồm xây dựng mô hình, tính toán mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất chu trình EPRC vượt trội so với CPRC: Kết quả mô phỏng cho thấy hệ số COP của chu trình EPRC luôn cao hơn chu trình CPRC trong mọi điều kiện vận hành. Cụ thể, tại nhiệt độ bay hơi Te = -10°C, COP của EPRC tăng từ 1,3% đến 3,78% so với CPRC; tại Te = -30°C, mức tăng từ 0,91% đến 5,8%.

  2. Ảnh hưởng của áp suất nén (Pdis) và tỷ số nâng áp suất (rp): Khi tăng áp suất nén từ 80 đến 110 bar, COP của cả hai chu trình giảm. Tuy nhiên, COP của EPRC vẫn duy trì cao hơn CPRC. Tăng tỷ số rp làm giảm COP của chu trình EPRC, cho thấy cần tối ưu rp để đạt hiệu quả cao nhất.

  3. Ảnh hưởng nhiệt độ môi chất sau làm mát (Tgc-o): COP giảm khi nhiệt độ môi chất sau làm mát tăng từ 30°C đến 39°C. Ở Te = -10°C, COP của EPRC cao hơn CPRC khoảng 10%; ở Te = -30°C, mức chênh lệch khoảng 5%.

  4. Ảnh hưởng độ quá lạnh (∆Tsub): COP của chu trình EPRC tăng mạnh khi độ quá lạnh tăng từ 24°C đến 28°C, trong khi COP của CPRC không thay đổi đáng kể. Điều này chứng tỏ thiết bị quá lạnh kết hợp ejector giúp nâng cao hiệu suất làm lạnh.

  5. Ảnh hưởng áp suất trung gian (Ptg): Tăng áp suất trung gian làm tăng nhiệt độ cuối tầm nén của máy nén phụ, có thể ảnh hưởng đến hoạt động ổn định của máy nén. Do đó, cần kiểm soát Ptg trong phạm vi phù hợp để tránh giảm hiệu suất và đảm bảo an toàn vận hành.

Thảo luận kết quả

Các kết quả trên cho thấy việc tích hợp ejector hai pha trong chu trình lạnh máy nén kép giúp cải thiện hiệu suất năng lượng rõ rệt. Nguyên nhân chính là ejector thực hiện quá trình tách pha và quá lạnh, giảm tổn thất tiết lưu và tải cho máy nén phụ, từ đó giảm công suất tiêu thụ và tăng COP. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với xu hướng ứng dụng ejector nhằm tận dụng nguồn nhiệt thừa và năng lượng tái tạo, đồng thời giảm phát thải khí nhà kính.

Biểu đồ P-h và các bảng số liệu trong nghiên cứu minh họa rõ ràng sự khác biệt về nhiệt độ, áp suất và entanpy giữa các điểm nút trong chu trình, giúp trực quan hóa hiệu quả của ejector. Việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng như áp suất nén, nhiệt độ làm mát, độ quá lạnh và áp suất trung gian cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu thiết kế và vận hành hệ thống.

Tuy nhiên, nhược điểm của ejector là COP thấp hơn so với máy nén truyền thống nếu không được thiết kế và vận hành tối ưu. Do đó, nghiên cứu này cũng chỉ ra tầm quan trọng của việc lựa chọn thông số vận hành phù hợp và cải tiến thiết kế ejector để đạt hiệu quả cao nhất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ số nâng áp suất (rp) và áp suất nén (Pdis): Cần thiết lập các giá trị rp và Pdis trong phạm vi tối ưu nhằm duy trì COP cao nhất cho chu trình EPRC. Việc này có thể thực hiện qua điều khiển tự động hoặc thiết kế ejector phù hợp.

  2. Ứng dụng thiết bị quá lạnh (Sub-cooler) kết hợp ejector: Đề xuất lắp đặt thiết bị quá lạnh để tăng độ quá lạnh môi chất trước khi vào máy nén phụ, giúp giảm tổn thất tiết lưu và nâng cao hiệu suất làm lạnh. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể là các nhà sản xuất và nhà thầu hệ thống lạnh.

  3. Kiểm soát áp suất trung gian (Ptg) trong chu trình: Thiết lập hệ thống giám sát và điều chỉnh áp suất trung gian để tránh ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động máy nén phụ, đảm bảo vận hành ổn định và an toàn. Chủ thể thực hiện là kỹ sư vận hành và bảo trì.

  4. Nghiên cứu và phát triển thiết kế ejector hai pha cải tiến: Khuyến khích các viện nghiên cứu và doanh nghiệp đầu tư phát triển ejector có hiệu suất cao hơn, giảm tổn thất không thuận nghịch trong quá trình hòa trộn và khuếch tán. Thời gian nghiên cứu từ 3-5 năm.

  5. Đào tạo và nâng cao nhận thức về công nghệ ejector trong ngành lạnh: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư, nhà thiết kế và vận hành nhằm phổ biến kiến thức và kỹ thuật vận hành hệ thống lạnh ejector hiệu quả.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt, công nghệ lạnh: Luận văn cung cấp mô hình toán học chi tiết và phân tích sâu sắc về ejector hai pha, giúp nâng cao kiến thức chuyên môn và phát triển nghiên cứu tiếp theo.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và thiết kế hệ thống lạnh, điều hòa không khí: Thông tin về hiệu quả năng lượng và các yếu tố ảnh hưởng giúp cải tiến sản phẩm, tối ưu hóa thiết kế và giảm chi phí vận hành.

  3. Kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống lạnh công nghiệp: Hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các thông số vận hành tối ưu giúp nâng cao hiệu quả vận hành, giảm sự cố và tăng tuổi thọ thiết bị.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng, môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách khuyến khích sử dụng công nghệ tiết kiệm năng lượng và thân thiện môi trường trong ngành lạnh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Ejector hai pha là gì và có vai trò gì trong chu trình lạnh?
    Ejector hai pha là thiết bị sử dụng dòng sơ cấp áp suất cao để hút và nén dòng thứ cấp, giúp tách pha và thực hiện quá lạnh môi chất lạnh. Vai trò chính là giảm tổn thất tiết lưu, giảm tải máy nén và nâng cao hiệu suất chu trình lạnh.

  2. Tại sao môi chất CO2 được ưu tiên sử dụng trong nghiên cứu này?
    CO2 là môi chất lạnh tự nhiên, thân thiện với môi trường với chỉ số GWP gần như bằng không và ODP bằng không. Tuy nhiên, CO2 có áp suất vận hành cao và điểm tới hạn thấp, đòi hỏi cải tiến chu trình để nâng cao hiệu quả.

  3. Các yếu tố nào ảnh hưởng lớn nhất đến hệ số COP của chu trình EPRC?
    Áp suất nén (Pdis), tỷ số nâng áp suất (rp), nhiệt độ môi chất sau làm mát (Tgc-o), độ quá lạnh (∆Tsub) và áp suất trung gian (Ptg) là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến COP. Tối ưu các thông số này giúp nâng cao hiệu suất.

  4. Chu trình EPRC có ưu điểm gì so với chu trình CPRC truyền thống?
    Chu trình EPRC tích hợp ejector giúp giảm tổn thất tiết lưu, thực hiện quá lạnh và giảm tải máy nén phụ, từ đó nâng cao hệ số COP từ 1,3% đến 5,8% tùy điều kiện vận hành so với CPRC.

  5. Làm thế nào để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
    Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở thiết kế và vận hành hệ thống lạnh tích hợp ejector hiệu quả. Doanh nghiệp và kỹ sư có thể áp dụng mô hình tính toán, tối ưu thông số vận hành và lắp đặt thiết bị quá lạnh để nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học cho ejector hai pha trong chu trình lạnh máy nén kép sử dụng môi chất CO2, áp dụng phần mềm EES để tính toán và phân tích hiệu suất.

  • Kết quả cho thấy chu trình lạnh tích hợp ejector (EPRC) có hệ số COP cao hơn chu trình máy nén kép thông thường (CPRC) từ 1,3% đến 5,8%, tùy thuộc điều kiện vận hành.

  • Các yếu tố như áp suất nén, tỷ số nâng áp suất, nhiệt độ môi chất sau làm mát, độ quá lạnh và áp suất trung gian ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất chu trình, cần được tối ưu hóa trong thiết kế và vận hành.

  • Việc ứng dụng thiết bị quá lạnh kết hợp ejector là giải pháp hiệu quả để nâng cao năng suất lạnh và giảm tổn thất tiết lưu.

  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm nghiên cứu thiết kế ejector cải tiến, thử nghiệm thực nghiệm và triển khai ứng dụng trong các hệ thống lạnh công nghiệp nhằm tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp trong lĩnh vực kỹ thuật lạnh được khuyến khích áp dụng mô hình và kết quả nghiên cứu này để phát triển các hệ thống lạnh hiệu quả, đồng thời tiếp tục nghiên cứu nâng cao hiệu suất và ứng dụng công nghệ ejector trong thực tế.