Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống máy lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO2/R32 đang được quan tâm nghiên cứu nhằm đáp ứng nhu cầu làm lạnh sâu trong các lĩnh vực công nghiệp và bảo quản đặc thù. Theo ước tính, nhu cầu sử dụng các hệ thống lạnh có khả năng làm lạnh đến nhiệt độ âm sâu từ -50°C đến -100°C ngày càng tăng, đặc biệt tại các khu vực có khí hậu nhiệt đới như TP. Hồ Chí Minh. Đề tài nghiên cứu tính toán thực nghiệm hệ thống máy lạnh ghép tầng dùng môi chất CO2/R32 nhằm thiết kế, lắp đặt và đánh giá hiệu quả năng lượng của hệ thống với năng suất lạnh khoảng 1 kW ở nhiệt độ phòng lạnh -26°C.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là tính toán thiết kế hệ thống lạnh ghép tầng với môi chất tầng trên là R32 và tầng dưới là CO2, lắp đặt hệ thống hoạt động ổn định và thu thập các thông số nhiệt động để đánh giá hiệu quả năng lượng. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại TP. Hồ Chí Minh, trong điều kiện nhiệt độ môi trường trung bình 33°C và độ ẩm 85%. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển hệ thống làm lạnh thân thiện môi trường, giảm thiểu tác động khí nhà kính nhờ sử dụng CO2 với hệ số nóng lên toàn cầu (GWP) chỉ bằng 1, đồng thời nâng cao hiệu suất làm lạnh so với các hệ thống truyền thống.

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:

  • Chu trình lạnh ghép tầng: Hệ thống gồm hai chu trình lạnh độc lập, tầng thấp sử dụng CO2 và tầng cao sử dụng R32, trong đó thiết bị bay hơi của tầng trên đồng thời là thiết bị ngưng tụ của tầng dưới. Nguyên lý hoạt động dựa trên cân bằng nhiệt lượng giữa hai tầng, đảm bảo năng suất nhiệt tầng trên bằng năng suất nhiệt tầng dưới.

  • Tính chất nhiệt động của môi chất lạnh CO2 và R32: CO2 là môi chất lạnh tự nhiên, không cháy, áp suất làm việc cao (~45 bar), điểm tới hạn thấp (31°C), có ưu điểm về môi trường với ODP=0 và GWP=1. R32 là môi chất tổng hợp có hiệu suất cao, tiết kiệm điện năng, GWP thấp hơn nhiều so với R410a, nhưng dễ cháy ở nồng độ cao.

  • Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống: Thiết bị này có cấu tạo gọn, hiệu suất trao đổi nhiệt cao, được sử dụng làm thiết bị ngưng tụ - bay hơi ghép tầng, giúp môi chất CO2 và R32 trao đổi nhiệt hiệu quả trong hệ thống.

Các khái niệm chính bao gồm: nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ, áp suất làm việc, hệ số truyền nhiệt, hiệu suất làm lạnh (COP), và các thông số điểm nút trong chu trình lạnh.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ quá trình lắp đặt và vận hành thực nghiệm hệ thống máy lạnh ghép tầng tại TP. Hồ Chí Minh, với các cảm biến nhiệt độ, áp suất và dòng điện được ghi lại định kỳ 5 phút/lần.

  • Phương pháp phân tích: Kết hợp phương pháp lý thuyết tính toán thiết kế dựa trên các công thức truyền nhiệt, nhiệt động học và tiêu chuẩn kỹ thuật, cùng với phương pháp thực nghiệm để thu thập và so sánh các thông số nhiệt động của chu trình lạnh CO2 và R32.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2020, bắt đầu từ tổng quan tài liệu, tính toán thiết kế, chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt, lắp đặt hệ thống, đến thu thập và phân tích số liệu thực nghiệm.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một hệ thống máy lạnh ghép tầng với năng suất lạnh 1 kW, được chọn mẫu dựa trên nhu cầu làm lạnh thực tế và khả năng lắp đặt tại TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo thành công thiết bị ngưng tụ - bay hơi kiểu ống lồng ống với diện tích bề mặt trao đổi nhiệt 0,142 m² và chiều dài ống 12 m, đảm bảo khả năng trao đổi nhiệt hiệu quả giữa môi chất CO2 và R32.

  2. Vận hành hệ thống đạt nhiệt độ buồng lạnh -36°C, tương ứng với tính toán lý thuyết, trong điều kiện nhiệt độ môi trường 33°C và độ ẩm 85%. Áp suất làm việc của CO2 đạt khoảng 39 bar, thấp hơn so với áp suất thiết kế 45 bar, đảm bảo an toàn vận hành.

  3. Hiệu suất làm lạnh (COP) của hệ thống được xác định là khoảng 1,467, trong đó COP của chu trình CO2 là 3,125 và chu trình R32 là 4,478. Công suất điện tiêu thụ của máy nén CO2 và R32 lần lượt là 492,3 W và 556,6 W.

  4. Thông số điểm nút thực nghiệm của chu trình lạnh CO2 và R32 gần tương đồng với tính toán lý thuyết, ví dụ nhiệt độ hơi quá nhiệt đầu vào máy nén CO2 là -29,1°C (thực nghiệm) so với -30°C (lý thuyết), áp suất ngưng tụ R32 thực nghiệm 39 bar so với 26,7 bar tính toán.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống máy lạnh ghép tầng CO2/R32 hoạt động ổn định, đạt được nhiệt độ làm lạnh sâu và hiệu suất năng lượng phù hợp với mục tiêu đề ra. Việc sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống giúp giảm thiểu rò rỉ môi chất và tăng hiệu quả truyền nhiệt. So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, hệ thống này có ưu điểm về áp suất làm việc thấp hơn so với các hệ thống CO2 truyền thống, đồng thời COP tổng thể được cải thiện nhờ sự kết hợp môi chất R32 ở tầng trên.

Biểu đồ p-h của chu trình lạnh CO2 và R32 thể hiện rõ các điểm nút trạng thái thực nghiệm và lý thuyết gần khớp, minh chứng cho độ chính xác của mô hình tính toán. Bảng so sánh các thông số nhiệt động học cũng cho thấy sự phù hợp cao, giúp khẳng định tính khả thi của thiết kế.

Hệ thống có thể ứng dụng hiệu quả trong các lĩnh vực cần nhiệt độ lạnh sâu như bảo quản thực phẩm, công nghệ sinh học, và công nghiệp hóa lỏng khí đốt, đồng thời góp phần giảm thiểu tác động môi trường nhờ sử dụng môi chất thân thiện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường kiểm soát và giám sát áp suất làm việc nhằm đảm bảo an toàn vận hành hệ thống, đặc biệt với môi chất CO2 có áp suất cao. Đề xuất lắp đặt cảm biến áp suất tự động và hệ thống cảnh báo sớm trong vòng 6 tháng tới, do đơn vị vận hành và bảo trì thực hiện.

  2. Nâng cao hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ - bay hơi bằng cách nghiên cứu cải tiến bề mặt ống trao đổi nhiệt, ví dụ áp dụng các lớp phủ tăng cường truyền nhiệt hoặc thiết kế ống xoắn, dự kiến thực hiện trong 1 năm, do nhóm nghiên cứu kỹ thuật nhiệt đảm nhiệm.

  3. Phát triển hệ thống điều khiển tự động cho máy lạnh ghép tầng để ổn định năng suất lạnh và giảm dao động nhiệt độ, giúp vận hành dễ dàng hơn. Thời gian triển khai dự kiến 12-18 tháng, phối hợp giữa phòng thí nghiệm và đơn vị công nghệ tự động hóa.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng hệ thống trong các điều kiện môi trường khác nhau, đặc biệt ở vùng có nhiệt độ môi trường cao hơn hoặc độ ẩm thay đổi, nhằm đánh giá khả năng thích nghi và hiệu quả năng lượng. Thời gian thực hiện 1-2 năm, do các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác.

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 cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán và thực nghiệm chi tiết về hệ thống lạnh ghép tầng, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và lắp đặt hệ thống lạnh công nghiệp: Thông tin về thiết kế, lựa chọn thiết bị và vận hành hệ thống giúp cải tiến sản phẩm, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí vận hành.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và năng lượng: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu về hiệu quả năng lượng và tác động môi trường của hệ thống sử dụng môi chất thân thiện, hỗ trợ xây dựng chính sách và tiêu chuẩn kỹ thuật.

  4. Các đơn vị đào tạo kỹ thuật và công nghệ: Tài liệu tham khảo cho chương trình đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật lạnh, giúp sinh viên tiếp cận công nghệ mới và thực hành thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống máy lạnh ghép tầng CO2/R32 có ưu điểm gì so với hệ thống lạnh truyền thống?
    Hệ thống này cho phép đạt nhiệt độ lạnh sâu hơn (-50°C đến -100°C), áp suất làm việc ổn định hơn, và sử dụng môi chất thân thiện môi trường với GWP thấp, giúp giảm tác động khí nhà kính.

  2. Tại sao chọn môi chất CO2 và R32 cho hệ thống ghép tầng?
    CO2 có ưu điểm về môi trường, không cháy, áp suất làm việc cao phù hợp tầng lạnh sâu; R32 có hiệu suất cao, tiết kiệm điện và làm nhiệm vụ giải nhiệt cho CO2, tạo nên hệ thống hiệu quả.

  3. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống có vai trò gì trong hệ thống?
    Thiết bị này giúp trao đổi nhiệt hiệu quả giữa hai môi chất ở hai tầng, đồng thời giảm rò rỉ môi chất và đảm bảo an toàn vận hành trong hệ thống lạnh ghép tầng.

  4. Hiệu suất làm lạnh (COP) của hệ thống đạt được là bao nhiêu?
    COP tổng thể của hệ thống thực nghiệm đạt khoảng 1,467, trong đó COP của chu trình CO2 là 3,125 và chu trình R32 là 4,478, cho thấy hiệu quả năng lượng tốt trong điều kiện vận hành thực tế.

  5. Hệ thống có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    Hệ thống phù hợp cho bảo quản thực phẩm, công nghệ sinh học, hóa lỏng khí đốt, và các ứng dụng cần nhiệt độ lạnh sâu, đặc biệt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới như TP. Hồ Chí Minh.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thống máy lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO2/R32 với thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống, diện tích bề mặt 0,142 m² và chiều dài ống 12 m.
  • Hệ thống vận hành ổn định, đạt nhiệt độ buồng lạnh -36°C và áp suất làm việc an toàn, phù hợp với điều kiện môi trường TP. Hồ Chí Minh.
  • Hiệu suất làm lạnh (COP) tổng thể đạt 1,467, thể hiện hiệu quả năng lượng cao so với các hệ thống truyền thống.
  • Kết quả thực nghiệm khớp với tính toán lý thuyết, chứng minh tính khả thi và độ chính xác của mô hình thiết kế.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu suất và mở rộng ứng dụng trong tương lai, đồng thời kêu gọi các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển công nghệ.

Hành động tiếp theo là triển khai các đề xuất cải tiến thiết bị và hệ thống điều khiển tự động, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong các điều kiện môi trường khác nhau để hoàn thiện và thương mại hóa công nghệ.