Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển bền vững và bảo vệ môi trường, ngành kỹ thuật lạnh ngày càng chú trọng đến việc sử dụng các môi chất lạnh thân thiện với môi trường, đồng thời nâng cao hiệu suất truyền nhiệt của hệ thống. Theo ước tính, máy lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO2 kết hợp với R32 đang được quan tâm do khả năng làm lạnh sâu và giảm thiểu tác động đến tầng ozone cũng như hiệu ứng nhà kính. Tuy nhiên, các nghiên cứu về đặc tính truyền nhiệt trong thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi của máy lạnh ghép tầng R32 – CO2 còn hạn chế, đặc biệt trong điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế, chế tạo và khảo sát các đặc tính truyền nhiệt của thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi trong hệ thống máy lạnh ghép tầng R32 – CO2 với công suất lạnh 1,5 kW, vận hành ở nhiệt độ phòng lạnh –20°C, đặt tại TP. Hồ Chí Minh. Nghiên cứu tập trung vào việc xác định nhiệt lượng truyền qua thiết bị, phân tích các thông số nhiệt động của chu trình tầng thấp (CO2) và tầng cao (R32), đồng thời so sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết nhằm nâng cao hiệu quả thiết kế và vận hành hệ thống.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp dữ liệu thực nghiệm chính xác về truyền nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống, góp phần cải thiện hiệu suất hệ thống lạnh ghép tầng, đồng thời hỗ trợ phát triển các giải pháp làm lạnh thân thiện môi trường, giảm thiểu khí thải có hại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Lý thuyết truyền nhiệt: Bao gồm các cơ chế dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ, với trọng tâm là phương trình cân bằng nhiệt và phương trình truyền nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống. Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit (LMTD) được sử dụng để đánh giá hiệu quả truyền nhiệt.

  • Chu trình máy lạnh ghép tầng: Mô hình hai tầng với môi chất R32 ở tầng cao và CO2 ở tầng thấp, trong đó thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi đóng vai trò trao đổi nhiệt trung gian. Các thông số nhiệt động như nhiệt độ, áp suất, enthalpy, entropy được xác định và phân tích.

  • Phương pháp hiệu suất (NTU method): Xác định hiệu suất trao đổi nhiệt dựa trên tỷ số nhiệt dung khối lượng và số đơn vị truyền nhiệt (NTU), giúp đánh giá hiệu quả thiết bị trao đổi nhiệt trong điều kiện vận hành thực tế.

Các khái niệm chính bao gồm: nhiệt dung lưu lượng khối lượng, độ chênh nhiệt độ trung bình logarit, hệ số truyền nhiệt, và các điểm nút nhiệt động trong chu trình lạnh.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu được thu thập từ mô hình thực nghiệm hệ thống máy lạnh ghép tầng R32 – CO2 công suất 1,5 kW, vận hành tại TP. Hồ Chí Minh. Các thiết bị đo nhiệt độ, áp suất, công suất điện máy nén được sử dụng với độ chính xác cao.

  • Phương pháp phân tích: Tính toán các thông số nhiệt động dựa trên bảng hơi bão hòa và đồ thị lg p – h của CO2 và R32. So sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết để đánh giá độ chính xác và hiệu quả truyền nhiệt. Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến các thông số hệ thống như nhiệt lượng truyền, độ chênh nhiệt độ, công suất điện máy nén.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu bao gồm giai đoạn thiết kế và chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt (khoảng 3 tháng), thiết lập mô hình thực nghiệm và đo đạc (2 tháng), phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn (3 tháng). Tổng thời gian nghiên cứu khoảng 8 tháng.

Cỡ mẫu thực nghiệm được xác định dựa trên các điều kiện vận hành khác nhau của hệ thống, với các điểm đo nhiệt độ và áp suất tại các vị trí nút quan trọng trong chu trình nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nhiệt độ phòng lạnh đạt thấp hơn thiết kế: Nhiệt độ trong buồng lạnh dàn bay hơi CO2 thực tế đạt –25°C, thấp hơn 5°C so với mức thiết kế –20°C, chứng tỏ hệ thống có khả năng làm lạnh sâu hiệu quả.

  2. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến nhiệt lượng truyền: Khi nhiệt độ môi trường thay đổi từ 32,3°C đến 33,5°C, nhiệt lượng truyền qua bộ trao đổi nhiệt Ngưng tụ - Bay hơi tăng từ 1546,2 W lên 1899 W. Tại 33°C, giá trị thực nghiệm Qcascade là 1826,5 W, gần sát với giá trị lý thuyết 1803 W, cho thấy mô hình tính toán phù hợp với thực tế.

  3. Phân bố nhiệt độ và áp suất các điểm nút chu trình: Nhiệt độ đầu vào và đầu ra của ống trao đổi nhiệt chênh lệch nhỏ giữa lý thuyết và thực nghiệm (đầu vào chênh 0,9°C, đầu ra chênh 0,4°C). Tuy nhiên, áp suất các điểm nút chu trình CO2 có sự chênh lệch từ 0,4 bar đến 1 bar do tổn thất áp suất trong đường ống và máy nén.

  4. Hiệu suất hệ thống và công suất điện máy nén: Hệ số hiệu suất (COP) thực nghiệm được xác định phù hợp với các điều kiện vận hành, đồng thời công suất điện máy nén thay đổi theo nhiệt độ môi trường, phản ánh sự ảnh hưởng trực tiếp của điều kiện bên ngoài đến hiệu quả vận hành.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của việc nhiệt độ phòng lạnh đạt thấp hơn thiết kế có thể do thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống có hiệu suất truyền nhiệt cao, đồng thời hệ thống vận hành ổn định với tổn thất nhiệt tối thiểu. Sự tăng nhiệt lượng truyền theo nhiệt độ môi trường phù hợp với nguyên lý truyền nhiệt, khi chênh lệch nhiệt độ giữa hai môi chất tăng sẽ làm tăng dòng nhiệt truyền.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả nhiệt lượng truyền và phân bố nhiệt độ trong thiết bị trao đổi nhiệt tương đồng, chứng tỏ tính ứng dụng của mô hình nghiên cứu trong điều kiện thực tế tại Việt Nam. Sự chênh lệch áp suất được giải thích do tổn thất áp suất không tránh khỏi trong hệ thống, điều này cũng được ghi nhận trong các nghiên cứu tương tự.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lg p – h của chu trình CO2 và R32, bảng so sánh nhiệt độ và áp suất các điểm nút giữa lý thuyết và thực nghiệm, cũng như đồ thị thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến nhiệt lượng truyền và công suất điện máy nén, giúp minh họa rõ ràng các mối quan hệ và xu hướng vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt: Cải tiến bề mặt trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống bằng cách áp dụng các kỹ thuật tăng cường truyền nhiệt như gờ, rãnh hoặc vật liệu dẫn nhiệt cao nhằm tăng hệ số truyền nhiệt, nâng cao hiệu suất truyền nhiệt và giảm tổn thất áp suất.

  2. Kiểm soát nhiệt độ môi trường vận hành: Đề xuất lắp đặt hệ thống điều hòa hoặc che chắn nhiệt cho khu vực đặt thiết bị nhằm ổn định nhiệt độ môi trường, từ đó duy trì hiệu suất truyền nhiệt và giảm biến động công suất điện máy nén.

  3. Phát triển hệ thống điều khiển tự động: Áp dụng công nghệ điều khiển thông minh để tự động điều chỉnh các thông số vận hành như áp suất, nhiệt độ bay hơi và ngưng tụ, giúp hệ thống hoạt động ổn định, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu hao mòn thiết bị.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng môi chất lạnh thân thiện: Khuyến khích nghiên cứu thêm các cặp môi chất lạnh khác kết hợp với CO2 nhằm tìm ra giải pháp tối ưu về hiệu suất và thân thiện môi trường, đồng thời khảo sát các ứng dụng trong công nghiệp và bảo quản lạnh sâu.

Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 1-2 năm, với sự phối hợp giữa các đơn vị nghiên cứu, nhà sản xuất thiết bị và các cơ sở ứng dụng thực tế nhằm đảm bảo tính khả thi và hiệu quả.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt và lạnh: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích chuyên sâu về truyền nhiệt trong hệ thống lạnh ghép tầng, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

  2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống lạnh công nghiệp: Thông tin về đặc tính truyền nhiệt và ảnh hưởng của môi trường giúp tối ưu hóa thiết kế, vận hành và bảo trì hệ thống máy lạnh ghép tầng sử dụng môi chất thân thiện.

  3. Các doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị lạnh: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm thiết bị trao đổi nhiệt hiệu quả, đáp ứng yêu cầu về môi trường và tiết kiệm năng lượng.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ đánh giá và khuyến khích sử dụng các công nghệ làm lạnh thân thiện môi trường, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và bảo vệ tầng ozone.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy lạnh ghép tầng R32 – CO2 có ưu điểm gì so với hệ thống lạnh truyền thống?
    Máy lạnh ghép tầng R32 – CO2 tận dụng ưu điểm của từng môi chất, cho phép làm lạnh sâu đến –25°C, giảm tiêu thụ năng lượng và hạn chế tác động môi trường nhờ sử dụng môi chất có chỉ số ODP và GWP thấp.

  2. Thiết bị Ngưng tụ - Bay hơi dạng ống lồng ống có những đặc điểm gì?
    Thiết bị có kích thước gọn, hiệu suất truyền nhiệt cao, phù hợp cho áp suất cao, không cần motor quạt, tiết kiệm điện năng nhưng khó chế tạo và vệ sinh.

  3. Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất hệ thống?
    Nhiệt độ môi trường tăng làm tăng nhiệt lượng truyền qua thiết bị trao đổi nhiệt và công suất điện máy nén, ảnh hưởng đến hiệu suất và chi phí vận hành.

  4. Làm thế nào để giảm tổn thất áp suất trong hệ thống?
    Có thể giảm tổn thất bằng cách thiết kế đường ống tối ưu, sử dụng vật liệu và thiết bị có độ bền cao, bảo dưỡng định kỳ và áp dụng công nghệ điều khiển tự động.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các hệ thống lạnh khác không?
    Kết quả có thể tham khảo và điều chỉnh cho các hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất khác hoặc công suất khác, đặc biệt trong các ứng dụng cần làm lạnh sâu và thân thiện môi trường.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công thiết bị trao đổi nhiệt Ngưng tụ - Bay hơi dạng ống lồng ống phù hợp với hệ thống lạnh ghép tầng R32 – CO2 công suất 1,5 kW.
  • Nhiệt độ phòng lạnh thực nghiệm đạt –25°C, thấp hơn 5°C so với thiết kế, chứng tỏ hiệu quả làm lạnh sâu của hệ thống.
  • Nhiệt lượng truyền qua thiết bị thay đổi từ 1546,2 W đến 1899 W khi nhiệt độ môi trường thay đổi từ 32,3°C đến 33,5°C, phù hợp với mô hình lý thuyết.
  • Sự chênh lệch nhiệt độ và áp suất các điểm nút chu trình giữa thực nghiệm và lý thuyết nằm trong giới hạn chấp nhận được, phản ánh độ chính xác của mô hình và thiết bị.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu thiết kế, điều khiển và vận hành nhằm nâng cao hiệu suất và giảm tác động môi trường.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ mở rộng khảo sát các cặp môi chất lạnh khác và ứng dụng trong các điều kiện vận hành đa dạng hơn. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả để phát triển công nghệ làm lạnh bền vững. Hãy liên hệ để trao đổi và hợp tác nghiên cứu sâu hơn về lĩnh vực này.