Báo Cáo Nghiên Cứu Khoa Học Về Hệ Thống Lạnh Ghép Tầng Sử Dụng Môi Chất CO2 và R32

• Tác giả: Cao Thị Cám Vân
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Thành Trung
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Nhiệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Thống Lạnh Ghép Tầng Sử Dụng Môi Chất CO2 và R32
• Loại tài liệu: báo cáo nghiên cứu khoa học
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2. Lý do chọn đề tài
• 1.3. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Giới hạn đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về CO2
• 2.2. Tổng quan về R32
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH GHÉP TẦNG SỬ DỤNG MÔI CHẤT CO2 VÀ R32
• 3.1. Tính toán các giá trị nhiệt độ ban đầu
• 3.2. Tính toán nhiệt độ ngưng tụ tầng cao (dùng môi chất R32)
• 3.3. Tính toán nhiệt độ bay hơi tầng thấp (dùng môi chất CO2)
• 3.4. Tính toán nhiệt độ ả thiết bị trao đổi nhiệt tầng thấp (dùng môi chất CO2)
• 3.5. Tính toán, thiết lập thông số các điểm nút
• 3.6. Tính toán máy nén
• 3.7. Tính toán thiết bị bay hơi
• 3.8. Tính toán tầng cao (dùng môi chất R32)
• 3.9. Tính toán, thiết lập thông số các điểm nút tầng cao
• 3.10. Tính toán, thiết lập thông số các điểm nút tầng thấp
• 3.11. Tính toán thiết bị ngưng tụ nhiệt tầng cao - bay hơi kiểu ống lồng ống
• 3.12. Hệ số tỏa nhiệt của môi chất R744 (CO2)
• 3.13. Hệ số tỏa nhiệt của môi chất R32
• 3.14. Diện tích bộ trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống
• 3.15. Tính cách nhiệt, cách ẩm cho hệ thống
• 3.16. Tính cách nhiệt cho tường bao buồng lạnh
• 3.17. Tính cách nhiệt, cách ẩm ả thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Phương pháp thực nghiệm
• 4.2. Hình ảnh thực nghiệm
• 4.3. Điểm nút thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và R32
• 4.4. Kết quả so sánh lý thuyết và thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2 và R32
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Hình ảnh dạng cơ sở dùng cho việc ghi chép số liệu thực nghiệm
• 5.2. Hình ảnh thực nghiệm
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Lạnh Ghép Tầng CO2 R32 Giới Thiệu

Hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO2 và R32 đang ngày càng thu hút sự quan tâm trong ngành công nghiệp lạnh. Đây là một giải pháp đầy hứa hẹn để thay thế các hệ thống sử dụng môi chất truyền thống có tiềm năng gây hại cho môi trường. Hệ thống lạnh cascade kết hợp ưu điểm của cả hai môi chất: CO2 ở tầng thấp và R32 ở tầng cao, nhằm đạt hiệu suất cao và thân thiện với môi trường. CO2 là môi chất tự nhiên, có tiềm năng làm nóng lên toàn cầu (GWP) rất thấp, trong khi R32 có GWP thấp hơn nhiều so với các môi chất HFC khác. Thiết kế này đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu nhiệt độ bay hơi thấp, như bảo quản thực phẩm đông lạnh và các quy trình công nghiệp đặc biệt. Nghiên cứu này tập trung vào việc tính toán lý thuyết và phân tích hiệu suất của hệ thống, đồng thời đánh giá tiềm năng ứng dụng thực tiễn của nó. Mục tiêu là cung cấp một cái nhìn tổng quan toàn diện về hệ thống lạnh ghép tầng CO2 R32 và khuyến khích việc áp dụng rộng rãi hơn trong tương lai. Theo nghiên cứu của Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, "Việc sử dụng CO2 làm môi chất lạnh đang được nghiên cứu ngày càng nhân rộng".

1.1. Ưu Điểm Của Hệ Thống Lạnh Ghép Tầng

Hệ thống lạnh ghép tầng, đặc biệt với sự kết hợp của CO2 và R32, mang lại nhiều lợi ích so với các hệ thống truyền thống. Thứ nhất, nó giúp giảm thiểu tác động đến môi trường nhờ sử dụng môi chất có GWP thấp. Thứ hai, nó có thể đạt hiệu suất cao hơn, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu nhiệt độ bay hơi thấp. Thứ ba, hệ thống lạnh cascade có thể được tối ưu hóa để phù hợp với các yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng, từ đó tăng tính linh hoạt và hiệu quả. Hơn nữa, việc sử dụng môi chất lạnh CO2 giúp hệ thống tuân thủ các quy định ngày càng nghiêm ngặt về bảo vệ môi trường.

1.2. Ứng Dụng Hệ Thống Lạnh Ghép Tầng Trong Thực Tế

Hệ thống lạnh ghép tầng CO2 R32 có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong ngành công nghiệp thực phẩm, nó có thể được sử dụng trong các hệ thống bảo quản đông lạnh, kho lạnh, và hệ thống lạnh siêu thị. Trong ngành công nghiệp, nó có thể được sử dụng trong các quy trình làm lạnh công nghiệp, như sản xuất hóa chất và dược phẩm. Ngoài ra, hệ thống lạnh cascade cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng thương mại, như hệ thống điều hòa không khí và làm lạnh nước. Sự linh hoạt và hiệu quả của hệ thống làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho nhiều ứng dụng khác nhau.

II. Thách Thức Khi Sử Dụng Hệ Thống Lạnh CO2 và R32 Cascade

Mặc dù hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng CO2 và R32 mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng đi kèm với một số thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là áp suất làm việc cao của CO2, đòi hỏi các thiết bị và hệ thống phải được thiết kế và chế tạo để chịu được áp suất này. Điều này có thể làm tăng chi phí đầu tư ban đầu và yêu cầu các biện pháp an toàn nghiêm ngặt hơn. Bên cạnh đó, việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống lạnh cascade đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các đặc tính nhiệt động của cả hai môi chất và sự tương tác giữa chúng. Cuối cùng, việc đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì hệ thống cũng là một thách thức quan trọng, vì họ cần được trang bị kiến thức và kỹ năng cần thiết để làm việc với hệ thống phức tạp này. Theo Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, "Hệ thống có nguy cơ rò rỉ cao. Do đó thiết kế của các hệ thống CO2 có cấu tạo phức tạp dẫn đến giá thành cao."

2.1. Các Vấn Đề Về An Toàn Môi Chất CO2 và R32

Việc sử dụng môi chất lạnh CO2 và R32 đòi hỏi sự chú ý đặc biệt đến các vấn đề an toàn. Mặc dù CO2 là một môi chất tự nhiên và không độc hại, nhưng nó có thể gây ngạt thở nếu nồng độ trong không khí quá cao. Do đó, cần có các biện pháp phòng ngừa để đảm bảo rằng không có rò rỉ lớn xảy ra và rằng không gian làm việc được thông gió đầy đủ. R32 là một môi chất dễ cháy nhẹ, vì vậy cần có các biện pháp phòng ngừa để tránh các nguồn gây cháy và để đảm bảo rằng hệ thống được thiết kế và lắp đặt một cách an toàn. Ngoài ra, cần tuân thủ các quy định và tiêu chuẩn an toàn liên quan đến việc sử dụng môi chất lạnh.

2.2. Chi Phí Đầu Tư Hệ Thống Lạnh Cascade Ban Đầu

Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống lạnh ghép tầng CO2 R32 có thể cao hơn so với các hệ thống sử dụng môi chất truyền thống. Điều này là do các thiết bị cần thiết để chịu được áp suất làm việc cao của CO2 có thể đắt hơn. Ngoài ra, chi phí thiết kế và lắp đặt hệ thống cũng có thể cao hơn do tính phức tạp của hệ thống. Tuy nhiên, cần xem xét chi phí này trong dài hạn, vì hệ thống lạnh cascade có thể mang lại tiết kiệm năng lượng đáng kể và giảm chi phí vận hành trong suốt vòng đời của nó. Hơn nữa, việc giảm thiểu tác động đến môi trường có thể mang lại lợi ích kinh tế gián tiếp thông qua việc tuân thủ các quy định và nâng cao uy tín của doanh nghiệp.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống Lạnh Ghép Tầng Hiệu Quả

Việc thiết kế một hệ thống lạnh ghép tầng hiệu quả đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng đến nhiều yếu tố, bao gồm lựa chọn môi chất, thiết kế thiết bị, và điều khiển hệ thống. Việc lựa chọn CO2 và R32 làm môi chất cho tầng thấp và tầng cao tương ứng là một lựa chọn phổ biến, nhưng cần tối ưu hóa tỷ lệ giữa hai môi chất để đạt hiệu suất cao nhất. Thiết kế các thiết bị, như máy nén, bình ngưng, và bình bay hơi, cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo rằng chúng có thể chịu được áp suất làm việc cao và hoạt động hiệu quả. Cuối cùng, việc điều khiển hệ thống cần được thực hiện một cách chính xác để duy trì nhiệt độ và áp suất ổn định và để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng. Theo báo cáo từ Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, cần phải lựa chọn thiết bị phù hợp dựa trên các thông số tính toán.

3.1. Lựa Chọn Môi Chất Lạnh CO2 và R32 Tối Ưu

Việc lựa chọn CO2 cho tầng thấp và R32 cho tầng cao của hệ thống lạnh ghép tầng thường là một lựa chọn tốt, nhưng cần xem xét các yếu tố cụ thể của từng ứng dụng. CO2 có đặc tính nhiệt động tốt ở nhiệt độ bay hơi thấp, trong khi R32 có GWP thấp hơn nhiều so với các môi chất HFC khác. Tuy nhiên, cần tối ưu hóa tỷ lệ giữa hai môi chất để đạt hiệu suất cao nhất. Ví dụ, có thể cần sử dụng một lượng lớn CO2 hơn nếu ứng dụng yêu cầu nhiệt độ bay hơi rất thấp, hoặc có thể cần sử dụng một lượng lớn R32 hơn nếu ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao ở nhiệt độ ngưng tụ cao.

3.2. Tính Toán và Thiết Kế Thiết Bị Cho Hệ Thống Cascade

Việc tính toán và thiết kế thiết bị cho hệ thống lạnh ghép tầng đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các đặc tính nhiệt động của cả hai môi chất và sự tương tác giữa chúng. Các thiết bị, như máy nén, bình ngưng, và bình bay hơi, cần được thiết kế để chịu được áp suất làm việc cao của CO2 và để hoạt động hiệu quả trong điều kiện làm việc cụ thể. Cần sử dụng các phần mềm mô phỏng và tính toán chuyên dụng để đảm bảo rằng thiết kế đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và hiệu suất. Theo nghiên cứu từ Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, "Các thiết bị trong hệ thống cần được kiểm định an toàn thường xuyên do chúng phải làm việc ở áp lực cao."

IV. Phân Tích Hiệu Suất Hệ Thống Lạnh Ghép Tầng CO2 R32

Việc phân tích hiệu suất hệ thống lạnh ghép tầng là rất quan trọng để đảm bảo rằng hệ thống hoạt động hiệu quả và đáp ứng các yêu cầu năng lượng. Các chỉ số hiệu suất chính cần được theo dõi và phân tích bao gồm hệ số hiệu suất (COP), công suất làm lạnh, và tiêu thụ năng lượng. Cần sử dụng các phương pháp phân tích nhiệt động và mô phỏng để đánh giá hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện làm việc khác nhau. Ngoài ra, cần thực hiện các thử nghiệm thực tế để xác minh các kết quả mô phỏng và để xác định các cơ hội cải thiện hiệu suất. Báo cáo từ Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM cho rằng: "Kết quả cho thấy RCEP1, sử dụng một bộ phun và bộ trao đổi nhiệt bên trong giữa hai bộ làm mát khí, cung cấp năng suất tốt hơn khoảng 13% so với CRCP."

4.1. Đánh Giá COP Hệ Thống Lạnh CO2 R32

Hệ số hiệu suất (COP) là một chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu quả năng lượng của hệ thống lạnh ghép tầng. COP được định nghĩa là tỷ lệ giữa công suất làm lạnh và công suất tiêu thụ. COP càng cao, hệ thống càng hiệu quả. Cần đo lường và phân tích COP của hệ thống trong các điều kiện làm việc khác nhau để xác định các cơ hội cải thiện hiệu suất. Các yếu tố có thể ảnh hưởng đến COP bao gồm nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ, và hiệu suất của các thiết bị.

4.2. So Sánh Hiệu Suất Với Các Hệ Thống Lạnh Truyền Thống

Để đánh giá tiềm năng của hệ thống lạnh ghép tầng CO2 R32, cần so sánh hiệu suất của nó với các hệ thống lạnh truyền thống. Các hệ thống truyền thống thường sử dụng các môi chất HFC có GWP cao, và có thể có hiệu suất thấp hơn trong các ứng dụng yêu cầu nhiệt độ bay hơi thấp. Việc so sánh hiệu suất cần được thực hiện một cách công bằng, bằng cách sử dụng các điều kiện làm việc và phương pháp đo lường giống nhau. Kết quả so sánh có thể giúp xác định các ưu điểm và nhược điểm của hệ thống lạnh cascade và để đánh giá tiềm năng tiết kiệm năng lượng và giảm tác động đến môi trường.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn và Kết Quả Nghiên Cứu Hệ Thống Cascade

Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng CO2 và R32 đã được tiến hành để đánh giá hiệu suất và tiềm năng của hệ thống. Kết quả cho thấy hệ thống có thể đạt hiệu suất cao trong các ứng dụng yêu cầu nhiệt độ bay hơi thấp, như bảo quản thực phẩm đông lạnh. Các kết quả cũng cho thấy hệ thống có thể giảm đáng kể tác động đến môi trường so với các hệ thống sử dụng môi chất HFC. Tuy nhiên, cần có thêm nghiên cứu thực nghiệm để xác minh các kết quả mô phỏng và để tối ưu hóa thiết kế hệ thống. Theo một nghiên cứu được trích dẫn từ Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, "Kết quả thu được cho các sắp xếp khác nhau của bộ trao đổi nhiệt bên trong (IHX) trong dòng chảy với một bộ trao đổi nhiệt sữa tái sinh (HXD) để thu hồi nhiệt. Từ kết quả, điều kiện hoạt động tối ưu cho tốc độ dòng chảy sữa tối đa cụ thể thu được."

5.1. Nghiên Cứu Trường Hợp Hệ Thống Lạnh Siêu Thị

Hệ thống lạnh ghép tầng CO2 R32 có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống lạnh siêu thị. Các siêu thị thường yêu cầu cả nhiệt độ bay hơi trung bình (cho bảo quản thực phẩm tươi) và nhiệt độ bay hơi thấp (cho bảo quản thực phẩm đông lạnh). Hệ thống lạnh cascade có thể đáp ứng cả hai yêu cầu này một cách hiệu quả, bằng cách sử dụng CO2 cho các ứng dụng nhiệt độ thấp và R32 cho các ứng dụng nhiệt độ trung bình. Việc sử dụng CO2 cũng giúp giảm đáng kể tác động đến môi trường so với các hệ thống sử dụng môi chất HFC.

5.2. Kết Quả Thực Nghiệm và So Sánh Với Lý Thuyết

Các kết quả thực nghiệm thu được từ các hệ thống lạnh ghép tầng CO2 R32 thực tế thường cho thấy sự phù hợp với các kết quả lý thuyết. Tuy nhiên, có thể có sự khác biệt do các yếu tố như sai số đo lường, điều kiện làm việc không ổn định, và hiệu suất thực tế của các thiết bị. Việc so sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết có thể giúp xác định các điểm yếu trong thiết kế hệ thống và để đưa ra các cải tiến. Hơn nữa, các kết quả thực nghiệm có thể cung cấp dữ liệu quan trọng cho việc tối ưu hóa điều khiển hệ thống.

VI. Kết Luận và Tương Lai của Hệ Thống Lạnh Ghép Tầng CO2 R32

Hệ thống lạnh ghép tầng CO2 R32 là một giải pháp đầy hứa hẹn cho các ứng dụng làm lạnh hiệu quả và thân thiện với môi trường. Hệ thống có thể đạt hiệu suất cao và giảm đáng kể tác động đến môi trường so với các hệ thống sử dụng môi chất HFC. Tuy nhiên, cần có thêm nghiên cứu và phát triển để giải quyết các thách thức liên quan đến áp suất làm việc cao của CO2 và để tối ưu hóa thiết kế hệ thống. Trong tương lai, hệ thống lạnh cascade có thể trở thành một lựa chọn phổ biến cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ siêu thị đến các quy trình công nghiệp. Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM cho biết: "Cho nên việc sử dụng môi chất CO2 là việc cần thiết, vì nó thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng và có thể là một môi chất lạnh tiềm năng trong tương lai."

6.1. Hướng Phát Triển và Nghiên Cứu Tiềm Năng

Các hướng phát triển và nghiên cứu tiềm năng cho hệ thống lạnh ghép tầng CO2 R32 bao gồm: - Nghiên cứu các vật liệu mới để chế tạo các thiết bị chịu được áp suất cao của CO2 với chi phí thấp hơn. - Phát triển các phương pháp điều khiển hệ thống thông minh để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng trong các điều kiện làm việc khác nhau. - Nghiên cứu các ứng dụng mới cho hệ thống lạnh cascade, như hệ thống điều hòa không khí và làm lạnh nước. - Nghiên cứu các giải pháp để giảm thiểu rò rỉ CO2 và để đảm bảo an toàn khi sử dụng hệ thống.

6.2. Tiềm Năng Tiết Kiệm Năng Lượng và Bảo Vệ Môi Trường

Hệ thống lạnh ghép tầng CO2 R32 có tiềm năng đáng kể để tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Việc sử dụng CO2 làm môi chất giúp giảm đáng kể tác động đến môi trường so với các hệ thống sử dụng môi chất HFC. Hơn nữa, hệ thống lạnh cascade có thể đạt hiệu suất cao hơn trong các ứng dụng yêu cầu nhiệt độ bay hơi thấp, giúp giảm tiêu thụ năng lượng. Việc áp dụng rộng rãi hệ thống lạnh ghép tầng CO2 R32 có thể góp phần vào các mục tiêu quốc gia và quốc tế về giảm phát thải khí nhà kính và bảo vệ môi trường.