ĐẶT VẤN ĐỀ Từ những tác hại tới môi trường của môi chất lạnh CFCs và HCFCs, theo xu hướng toàn cầu, nhà nước ta đang khuyến khích doanh nghiệp đầu tư đổi mới trang thiết bị, sử dụng các môi chất thay thế thân thiện hơn với môi trường. Theo lịch trình cắt giảm môi chất R-22, quy định trong Nghị định thư Montreal, nước ta sẽ chấm dứt hoàn toàn việc sử dụng tới năm 2040. Vì vậy, việc nghiên cứu tìm giải pháp phù hợp với điều kiện kinh tế – xã hội ở nước ta là rất cần thiết. Vấn đề đặt ra là sẽ có hàng loạt hệ thống được lắp đặt và vận hành bằng môi chất R-22 trước đây, sẽ phải điều chỉnh sang sử dụng môi chất mới thân thiện môi trường theo lịch trình quy định.
Một lượng lớn máy nén, hàng loạt thiết bị phụ hoạt động với môi chất R-22 sẽ bị thay thế trong khi chất lượng vận hành vẫn còn đảm bảo là vấn đề lớn với cả người dân, doanh nghiệp và xã hội. Bảo vệ môi trường sống qua việc tuân thủ các quy định về sản xuất và hạn chế sử dụng các chất HCFCs như R-22 là trách nhiệm chung của mọi cá nhân, tổ chứa trên toàn thế giới nhưng đây cũng là sự lãng phí rất lớn cho nền kinh tế đất nước và của người dân. Trước tình hình thực tế ở nước ta thì việc loại bỏ các máy nén lạnh R-22 để chuyển sang thay mới các máy nén và thiết bị quy định là điều rất khó thực hiện và chưa phù hợp. Do đó, hướng giải quyết khả thi nhất là tìm ra các giải pháp thay thế R-22 phù hợp với từng đối tượng và với từng giai đoạn tuổi thọ thiết bị, hướng đến sự đơn giản, tiết kiệm nhất.
Cụ thể như sau: Tiếp tục sử dụng R-22 đến năm 2040: R-22 vẫn có thể được sử dụng trong các hệ thống hiện có nếu không bị rò rỉ. Tuy nhiên, các hệ thống cũ hoạt động với R-22 cũng không đạt hiệu suất cao nhất và chi phí của R-22 sẽ tiếp tục tăng khi các nhà sản xuất môi chất lạnh cắt giảm sản lượng. Sử dụng môi chất lạnh tương thích thay thế R-22: Môi chất lạnh tương thích R-22 là các môi chất lạnh được dùng để thay thế môi chất lạnh R-22 ban đầu và giữ cho hệ thống làm việc ổn định, không cần phải thay dầu, thiết bị phụ. Tuy nhiên không có môi chất lạnh tương thích chính xác hoàn toàn cho R-22 mà chỉ có một số môi chất gần giống, có thể thay thế tạm thời cho R-22.
Thay thế R-22 bằng môi chất lạnh mới: xác định một môi chất lạnh thay thế phù hợp, cần phải có những kiểm tra đặc tính làm việc thực tế của hệ thống một cách kỹ lưỡng. Thông thường, hiệu suất của hệ thống cũng rất khó đạt được hiệu suất mong muốn như khi sử dụng môi chất R-22, vì vậy, cần xem xét tìm giải pháp kỹ thuật phù hợp để nâng cao hiệu suất hệ thống trong giới hạn chấp nhận được. Thay mới hệ thống: đối với hệ thống R-22 đã vận hành trên 10 năm, đây là giải pháp phù hợp để tiết kiệm chi phí cho việc sửa chữa. Đề tài này sẽ tập trung theo hướng thay thế R-22 bằng môi chất lạnh mới, thông qua các phân tích, đánh giá lý thuyết và thực nghiệm để kiểm tra tính phù hợp, khả thi của R-407C trong vấn đề này.1 Giới thiệu Vào năm 1748, nhà khoa học William Cullen Đại học Glasgow, Scotland đã nghiên cứu minh họa lần đầu hiệu ứng làm lạnh.
Vào những năm đầu thế kỷ 19, Michael Faraday đã thử nghiệm quá trình nén hơi ammoniac thành lỏng thành công và sau đó là tủ lạnh đầu tiên được phát minh sau nghiên cứu này của ông. Vào đầu thế kỷ 20, các vấn đề về biến đổi khí hậu được chú ý, nhiều nghiên cứu về các yếu tố tác động môi trường đã được tiến hành, nhiều tổ chức môi trường được thành lập nhầm hạn chế các yếu tố tác động tiêu cực đến môi trường và biến đổi khí hậu toàn cầu. Nghị định thư Montreal ra đời năm 1987, Ủy ban môi trường Mỹ được thành lập năm 1990. Các môi chất lạnh CFC như R-22 được quy định bắt buộc phải có kế hoạch loại bỏ càng sớm càng tốt trong các ngành công nghiệp sản xuất, lạnh và điều hòa không khí; vấn đề này được quy định trong nghị định thư Montreal, theo từng quốc gia, khu vực.
Các môi chất HFC, HFO có ODP = 0, GWP thấp hơn nhiều so với các môi chất CFC và HCFC nên được xem là môi chất phù hợp, ưu tiên để thay thế cho các môi chất CFC như R-22 ở các quốc gia phát triển. Trong khí đó, một số môi chất HCFC vẫn được xem xét để thay thế cho R-22 ở một số khu vực kém phát triển. Một số môi chất HFC như R-404A, R-410A, R-407C, R-407F là các môi chất thay thế cho R-22 trong các thiết bị mới và có thể thay thế tạm thời cho R-22 trong các hệ thống cũ đang vận hành. Về cơ bản, một môi chất được lựa chọn để thay thế R-22 dựa trên ba tiêu chí chính: hiệu suất, giá trị GWP, ODP và tính an toàn.
Môi chất R-410A có hiệu suất lạnh cao trong dải nhiệt độ bay hơi từ -10 ~ -40 oC, tuy nhiên áp suất vận hành cao hơn nhiều R-22, vì vậy R-410A không thích hợp thay thế trực tiếp trong các hệ thống R-22 cũ. Nghiên cứu này tập trung giải quyết hai vấn đề chính. Thứ nhất là tổng quan các môi chất lạnh có thể dùng để thay thế cho R-22 phù hợp với điều kiện ở Việt Nam. Thứ hai là đánh giá các tính chất nhiệt động lực học của môi chất lạnh R-407C trong hệ thống lạnh thương mại thông qua mô hình tính toán lý thuyết và thực nghiệm, từ đó đề xuất giải pháp cải thiện hiệu suất phù hợp.
Các môi chất hydrocarbon được triển khai phổ biến ở các nước phát triển. Tuy nhiên, ở nước ta, các quy định trước đây và hiện tại vẫn chưa được kiểm soát kỹ về an toàn cháy nổ, việc sử dụng các môi chất dễ cháy tiềm ẩn rất nhiều rủi ro, vì thế nghiên cứu này không tập trung vào các môi chất hydrocarbon như R-290, R-441A… Môi chất lạnh tự nhiên như CO2, amoniac là những lựa chọn phù hợp cho các hệ thống lắp mới, nhưng có những hạn chế nhất định dẫn đến việc ứng dụng thay thế R-22 là không thể, ví dụ như CO2 có áp suất làm việc cao, amoniac độc hại… 2 1.2 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu 1.1 Mục tiêu của nghiên cứu Nghiên cứu này nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc đánh giá và chọn giải pháp thay thế phù hợp trong lĩnh vực lạnh thương mại. Kết quả của nghiên cứu có thể làm cơ sở cho việc lựa chọn môi chất và phương án thay thế cho hệ thống lạnh R-22 trong các kho lạnh thương mại đã sản xuất, sử dụng môi chất R-22 trước đây. Cụ thể là: - Đánh giá mức độ phù hợp của môi chất R-407C để thay thế R-22 trong các hệ thống lạnh thương mại phù hợp điều kiện thực tế ở nước ta.
- Xây dựng cơ sở đánh giá hiệu quả của việc thay thế trong các điều kiện vận hành khác nhau.2 Phương pháp nghiên cứu Đặc điểm nhiệt động của mỗi môi chất lạnh sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị. Để phân tích và đạt được mục tiêu đề ra, quá trình nghiên cứu được tiến hành như sau: Xây dựng mô hình tính toán kiểm tra được thiết lập bằng chương trình tính toán EES.247 có tính đến thay đổi về tải lạnh, các điều kiện làm việc với nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ không khí vào, ra TBNT, TBBH thay đổi…của R-22 và một số môi chất có thể thay thế R-22. Đánh giá thực nghiệm hệ thống lạnh với môi chất R-22 và môi chất lạnh thay thế R-407C, so sánh các kết quả tính toán, đánh giá lý thuyết với kết quả thực nghiệm. Trên cơ sở đó, đề xuất giải pháp kỹ thuật đơn giản để nâng cao hiệu suất hệ thống đối với môi chất thay thế.3 Giới hạn nghiên cứu Trong giới hạn về thời gian thực hiện đề tài, phương tiện thực nghiệm và phạm vi rộng lớn của lĩnh vực lạnh thương mại vì vậy nghiên cứu tập trung vào các vấn đề chính sau: - Nghiên cứu và thực nghiệm môi chất R-407C thay thế cho R-22.
Các môi chất phổ biến khác trên thị trường Việt Nam như R-410A, R-404A… được xem xét, đề cập sơ bộ qua tính toán lý thuyết từ chương trình tính toán EES. - Hệ thống lạnh thử nghiệm được tính toán, lắp đặt theo số liệu thời tiết tại TP.Hồ Chí Minh, Việt Nam. - Mô hình thực nghiệm hai môi chất lạnh khác nhau cho cùng thiết bị bay hơi, thiết bị ngưng tụ, van tiết lưu, máy nén. 3 - Các điều kiện vận hành theo tình hình thời tiết địa phương; dữ liệu nhiệt độ môi trường được ghi nhận theo thời điểm ghi nhận các thông số vận hành khác.
Đánh giá thực nghiệm bỏ qua ảnh hưởng của độ ẩm không khí.4 Trình tự nghiên cứu Để đạt được các mục tiêu đã đề ra, quá trình tìm hiểu, nghiên cứu sẽ được thực hiện theo trình tự như dưới đây: Nghiên cứu tổng quan và yêu cầu thực tế Tham khảo các tiêu chuẩn và Xây dựng chương trình tính quy định an toàn về môi chất toán với EES V9.427 lạnh Các cơ sở lý thuyết & thực Lắp đặt mô hình và kiểm tra tiễn thực nghiệm Đo đạc, phân tích & đánh giá kết quả Báo cáo & Thuyết trình Hình 1-1 Các bước nghiên cứu 4 2.1 Nguyên lý làm lạnh Mặc dù có nhiều loại hệ thống lạnh và điều hòa không khí khác nhau về ứng dụng, quy mô…như tủ lạnh dân dụng, kho lạnh thương mại, công nghiệp, đến các hệ thống lạnh lớn được sử dụng trong sản xuất, chế biến thực phẩm và sản xuất công nghiệp. Tuy các hệ thống này khác nhau ở quy mô và độ phức tạp của hệ thống cùng một số thiết bị phụ nhưng cơ bản đều hoạt động dựa trên nguyên lý như nhau. Hệ thống lạnh và điều hòa không khí hoạt động dựa theo ba nguyên lý quan trọng xuất phát từ các định luật vật lý chi phối mối quan hệ giữa chất lỏng và chất khí, giúp xác định các thông số trạng thái trong quá trình chất lỏng chuyển thành chất khí và khi chất khí chuyển thành chất lỏng. Quá trình này được gọi là quá trình chuyển pha gồm hai quá trình cơ bản là bay hơi và ngưng tụ.
