Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm khả năng thay thế R22 bằng R407C trong kho lạnh thương mại

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật nhiệt nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm khả năng thay thế r22 bằng r407c trong các kho, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Nguyễn Văn Quang
• Người hướng dẫn: GS.TS Lê Chí Hiệp
• Trường học: Đại học Bách Khoa TPHCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Lý Thuyết Và Thực Nghiệm Khả Năng Thay Thế R-22 Bằng R-407C Trong Các Kho Lạnh Thương Mại
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM LƯỢC NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.2. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu
• 1.2.1. Mục tiêu của nghiên cứu
• 1.2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.2.3. Giới hạn nghiên cứu
• 1.2.4. Trình tự nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Nguyên lý làm lạnh
• 2.2. Lịch sử phát triển môi chất lạnh
• 2.3. An toàn của môi chất lạnh
• 2.4. Tác động môi trường của môi chất lạnh
• 2.5. Các vấn đề cần xem xét để sử dụng môi chất lạnh thay thế
• 2.5.1. Lựa chọn phương án thay thế
• 2.5.2. Điều kiện vận hành thiết bị hiện hữu
• 2.5.3. Khả năng tương thích của dầu và môi chất lạnh thay thế
• 2.6. Các nghiên cứu quốc tế
• 2.6.1. Đánh giá của Bitzer
• 2.6.2. Đánh giá của Danfoss
• 2.6.3. Một số bài báo nghiên cứu tiêu biểu
• 2.7. Tình hình triển khai thay thế môi chất lạnh ở Việt Nam
• 2.8. Các nghiên cứu trong nước
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Cơ sở nhiệt động lực học
• 3.1.1. Tính toán chu trình lạnh
• 3.1.2. Độ trượt nhiệt độ
• 3.2. Hiệu suất trao đổi nhiệt
• 3.2.1. Các phương trình và công thức thực nghiệm áp dụng phía môi chất lạnh
• 3.2.2. Các phương trình và công thức thực nghiệm áp dụng phía không khí
• 3.2.3. Thông số hình học cơ bản thiết bị trao đổi nhiệt ống cánh
• 3.3. Phương pháp phân tích
• 3.3.1. Phân tích nhiệt động và hiệu suất trao đổi nhiệt
• 3.3.2. Phân tích sai số
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN
• 4.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm
• 4.1.1. Phương pháp thực nghiệm
• 4.1.2. Phương pháp kiểm soát độ quá nhiệt, quá lạnh
• 4.1.3. Phương pháp đánh giá hiệu suất đẳng entropy máy nén
• 4.1.4. Thiết bị thực nghiệm
• 4.2. Chương trình tính toán
• 4.2.1. Hướng tiếp cận
• 4.2.2. Xây dựng lưu đồ thuật toán trong EES
• 4.2.3. Một số kết quả tính toán từ chương trình EES
• 4.2.4. Một số nhận xét từ kết quả đánh giá lý thuyết
• 5. CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 5.1. Khái quát các nội dung phân tích thực nghiệm
• 5.2. Các kết quả thực nghiệm
• 5.2.1. Kết quả thực nghiệm tại ∆Tsh = 20[ K], ∆Tsc = 12 [K]
• 5.2.2. Kết quả thực nghiệm tại ∆Tsh = 10[ K], ∆Tsc = 7 [K]
• 6. CHƯƠNG 6: BÀN LUẬN & KẾT LUẬN
• 6.1. So sánh kết quả thực nghiệm và EES
• 6.2. Đánh giá chung
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về khả năng thay thế R22 bằng R407C trong kho lạnh

Nghiên cứu khả năng thay thế R22 bằng R407C trong các kho lạnh thương mại đang trở thành một chủ đề nóng trong ngành công nghiệp lạnh. R22 là một môi chất lạnh phổ biến nhưng có tác động tiêu cực đến môi trường. Trong khi đó, R407C được xem là một giải pháp thay thế hiệu quả, thân thiện hơn với môi trường. Việc chuyển đổi này không chỉ giúp giảm thiểu tác động môi trường mà còn cải thiện hiệu suất năng lượng của hệ thống lạnh.

1.1. Đặc điểm của môi chất R22 và R407C

Môi chất R22 có hiệu suất làm lạnh tốt nhưng gây hại cho tầng ozone. Ngược lại, R407C là hỗn hợp của ba loại khí, giúp giảm thiểu tác động môi trường và cải thiện hiệu suất năng lượng.

1.2. Tại sao cần thay thế R22

Việc thay thế R22 là cần thiết do các quy định về bảo vệ môi trường ngày càng nghiêm ngặt. R407C không chỉ an toàn hơn mà còn giúp tiết kiệm chi phí vận hành cho các hệ thống lạnh.

II. Thách thức trong việc thay thế R22 bằng R407C

Mặc dù R407C có nhiều ưu điểm, nhưng việc thay thế R22 không phải là điều dễ dàng. Các thách thức bao gồm sự tương thích của thiết bị hiện tại, chi phí đầu tư ban đầu và hiệu suất trong các điều kiện vận hành khác nhau. Cần có nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo rằng việc chuyển đổi này không ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống lạnh.

2.1. Vấn đề tương thích thiết bị

Nhiều thiết bị lạnh hiện tại được thiết kế để sử dụng R22. Việc chuyển sang R407C có thể yêu cầu thay đổi hoặc nâng cấp thiết bị, điều này có thể tốn kém.

2.2. Chi phí và hiệu suất

Chi phí đầu tư ban đầu cho việc thay thế có thể cao, nhưng cần xem xét lợi ích lâu dài từ việc tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành.

III. Phương pháp nghiên cứu khả năng thay thế R22 bằng R407C

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp thực nghiệm và lý thuyết để đánh giá khả năng thay thế R22 bằng R407C. Một mô hình tính toán được xây dựng với phần mềm EES để so sánh các thông số nhiệt động của hai môi chất này. Các dữ liệu thực nghiệm được thu thập và phân tích để đưa ra kết luận chính xác về hiệu suất của R407C.

3.1. Xây dựng mô hình tính toán

Mô hình tính toán sử dụng phần mềm EES cho phép phân tích các thông số như áp suất, nhiệt độ và hiệu suất của R22 và R407C.

3.2. Phân tích dữ liệu thực nghiệm

Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ các hệ thống lạnh sử dụng R22 và R407C để so sánh hiệu suất và đưa ra các khuyến nghị cho việc thay thế.

IV. Kết quả nghiên cứu khả năng thay thế R22 bằng R407C

Kết quả nghiên cứu cho thấy R407C có hiệu suất tương đương hoặc tốt hơn so với R22 trong nhiều điều kiện vận hành. Việc sử dụng R407C không chỉ giúp giảm thiểu tác động môi trường mà còn cải thiện hiệu suất năng lượng của hệ thống lạnh. Các thông số như COP và năng suất lạnh đều cho thấy sự cải thiện đáng kể khi sử dụng R407C.

4.1. So sánh hiệu suất giữa R22 và R407C

Các thử nghiệm cho thấy R407C có COP cao hơn R22, cho phép tiết kiệm năng lượng trong quá trình vận hành.

4.2. Tác động môi trường của R407C

R407C có chỉ số GWP thấp hơn so với R22, giúp giảm thiểu tác động đến môi trường và đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của việc thay thế R22

Việc thay thế R22 bằng R407C trong các kho lạnh thương mại không chỉ là một xu hướng mà còn là một yêu cầu cần thiết để bảo vệ môi trường. Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng R407C là một lựa chọn khả thi và hiệu quả. Tương lai của ngành công nghiệp lạnh sẽ phụ thuộc vào việc áp dụng các công nghệ mới và môi chất lạnh thân thiện với môi trường.

5.1. Tương lai của môi chất lạnh

Sự phát triển của các môi chất lạnh mới sẽ tiếp tục diễn ra, với mục tiêu giảm thiểu tác động môi trường và nâng cao hiệu suất năng lượng.

5.2. Khuyến nghị cho ngành công nghiệp lạnh

Ngành công nghiệp lạnh cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp thay thế hiệu quả, đồng thời nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của việc bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo lộ trình của Nghị định thư Montreal, Việt Nam cam kết loại trừ hoàn toàn việc sử dụng môi chất lạnh HCFC-22 (R-22) vào năm 2040 nhằm bảo vệ tầng ozone và giảm phát thải khí nhà kính. Tại thị trường Việt Nam, R-22 vẫn đang chiếm hơn 60% thị phần trong các kho lạnh thương mại và hệ thống điều hòa không khí do chi phí thấp và tính ổn định cao. Tuy nhiên, R-22 có chỉ số phá hủy tầng ozone (ODP) là 0,055 và chỉ số nóng lên toàn cầu (GWP) lên tới 1810. Việc loại bỏ và thay thế đồng loạt các hệ thống máy nén R-22 hiện hữu đòi hỏi nguồn kinh phí khổng lồ, gây áp lực tài chính nặng nề cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là tìm kiếm một môi chất lạnh thay thế vừa thân thiện với môi trường, vừa có đặc tính nhiệt động tương đồng để tận dụng lại tối đa trang thiết bị sẵn có. Môi chất R-407C nổi lên như một giải pháp thay thế cải tạo (retrofit) tiềm năng với chỉ số ODP bằng 0 và GWP là 1774, thuộc nhóm an toàn A1 theo tiêu chuẩn ASHRAE. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật nhiệt thực hiện nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm nhằm đánh giá toàn diện khả năng chuyển đổi từ R-22 sang R-407C trong điều kiện khí hậu thực tế tại Thành phố Hồ Chí Minh.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu tập trung vào việc mô phỏng chu trình nhiệt động trên phần mềm EES, lắp đặt hệ thống thực nghiệm kho lạnh thương mại và so sánh các chỉ số hiệu suất năng lượng (COP), tỷ số nén, công suất lạnh và nhiệt độ cuối tầm nén. Phạm vi khảo sát trải dài trên dải nhiệt độ bay hơi từ dương 5 độ C đến âm 18 độ C và nhiệt độ ngưng tụ từ 40 độ C đến 54 độ C. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật quan trọng, giúp các đơn vị vận hành kho lạnh tiết kiệm từ 30% đến 50% chi phí chuyển đổi so với phương án thay mới toàn bộ hệ thống máy móc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng định luật 1 và định luật 2 của nhiệt động lực học ứng dụng cho chu trình làm lạnh nén hơi một cấp có quá nhiệt hơi hút và quá lạnh lỏng. Hiệu suất nhiệt động của chu trình thực tế được đối sánh trực tiếp với chu trình Carnot lý tưởng nhằm xác định mức độ tổn thất năng lượng do bất thuận nghịch. Mô hình truyền nhiệt vi phân trên các thiết bị trao đổi nhiệt ống cánh được thiết lập dựa trên phương pháp thể tích hữu hạn, phân tích chi tiết quá trình biến đổi pha của dòng môi chất và không khí đối lưu cưỡng bức.

Các khái niệm then chốt chi phối quá trình phân tích bao gồm: hệ số hiệu quả năng lượng (COP), năng suất lạnh riêng thể tích, hiệu suất nén đẳng entropy và đặc biệt là hiện tượng độ trượt nhiệt độ (temperature glide). Khác với R-22 là môi chất đơn chất có nhiệt độ sôi không đổi ở áp suất cố định, R-407C là hỗn hợp không đồng sôi gồm ba thành phần HFC: 23% R-32, 25% R-125 và 52% R-134a theo tỷ lệ khối lượng. Hỗn hợp này xuất hiện độ trượt nhiệt độ từ 5,0 K đến 7,0 K giữa điểm sôi bão hòa lỏng và điểm sương bão hòa hơi, làm thay đổi đáng kể hệ số truyền nhiệt đối lưu và chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit (LMTD) trong dàn bay hơi lẫn dàn ngưng tụ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được thu thập thông qua hai trụ cột chính: mô phỏng số và thực nghiệm đối chứng trên cùng một hệ thống thiết bị phần cứng. Mô hình toán học được lập trình hoàn chỉnh trên phần mềm Engineering Equation Solver (EES phiên bản 9.427), tích hợp đầy đủ các hàm trạng thái nhiệt động thực của môi chất R-22 và R-407C. Lý do lựa chọn EES là nhờ khả năng giải đồng thời hệ phương trình phi tuyến phức tạp và thư viện dữ liệu nhiệt động có độ chính xác cao theo chuẩn quốc tế.

Quy trình thực nghiệm được triển khai với cỡ mẫu gồm 12 chế độ vận hành đặc trưng. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào việc quét toàn bộ dải công tác thực tế của kho bảo quản lạnh thương mại: nhiệt độ bay hơi cài đặt lần lượt tại dương 5, 0, âm 5, âm 10, âm 15 và âm 18 độ C; nhiệt độ ngưng tụ kiểm soát ở 40, 45, 50 và 54 độ C. Hai chế độ quá nhiệt và quá lạnh được thiết lập nghiêm ngặt: chế độ một có độ quá nhiệt 20 K và quá lạnh 12 K; chế độ hai có độ quá nhiệt 10 K và quá lạnh 7 K. Toàn bộ quá trình đo đạc diễn ra liên tục từ tháng 9 năm 2020 đến tháng 1 năm 2021 tại Thành phố Hồ Chí Minh, đảm bảo thu thập đầy đủ dữ liệu áp suất, nhiệt độ các điểm nút và công suất tiêu thụ điện năng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và đối chiếu mô phỏng số đã làm sáng tỏ các đặc tính vận hành cốt lõi khi chuyển đổi sang môi chất R-407C:

Thứ nhất, ở dải nhiệt độ bảo quản mát từ dương 5 độ C đến âm 5 độ C, năng suất lạnh và hệ số COP của R-407C tương đương với R-22, mức chênh lệch hiệu suất chỉ dao động từ 1,5% đến 3,8%. Tuy nhiên, khi hạ nhiệt độ bay hơi xuống dải trữ đông từ âm 10 độ C đến âm 18 độ C, hệ số COP của R-407C suy giảm từ 8,5% đến 12,4% so với R-22 do ảnh hưởng tiêu cực của tỷ số nén tăng cao.

Thứ hai, độ trượt nhiệt độ của R-407C (đạt trung bình 5,8 K) làm thay đổi phân bố nhiệt độ bề mặt truyền nhiệt. Tại dàn ngưng tụ, nhiệt độ môi chất giảm dần trong quá trình chuyển pha bão hòa, trong khi tại dàn bay hơi nhiệt độ môi chất lại tăng dần từ đầu vào đến đầu ra, đòi hỏi diện tích truyền nhiệt vùng quá nhiệt hơi hút phải chiếm tỷ trọng lớn hơn 15% so với khi chạy R-22.

Thứ ba, nhiệt độ cuối tầm nén của máy nén khi vận hành với R-407C luôn thấp hơn từ 5,2 độ C đến 11,8 độ C so với môi chất R-22 ở cùng điều kiện giải nhiệt. Điều này giúp dầu bôi trơn tránh khỏi nguy cơ bị nhiệt phân hóa và kéo dài tuổi thọ cụm cơ khí máy nén.

Thứ tư, khối lượng nạp môi chất R-407C tối ưu chỉ bằng 85% đến 90% khối lượng nạp định mức của R-22 trên cùng một dung tích hệ thống, giúp giảm đáng kể chi phí nạp môi chất ban đầu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự sụt giảm hiệu suất ở nhiệt độ thấp là do thành phần R-134a chiếm tới 52% trong hỗn hợp R-407C. Khi áp suất bay hơi giảm sâu, thể tích riêng của hơi hút tăng nhanh, làm giảm lưu lượng khối lượng qua máy nén và gia tăng công nén riêng. Kết quả này hoàn toàn nhất quán với các công bố khoa học của các nhà sản xuất máy nén hàng đầu thế giới và các nghiên cứu quốc tế tiêu biểu của nhóm tác giả Devotta hay Aprea.

Các dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa rõ nét thông qua đồ thị nhiệt động Log P-h và đồ thị T-s. Biểu đồ đối sánh hệ số COP theo nhiệt độ bay hơi minh chứng rõ ràng đường đặc tính của R-407C bám rất sát R-22 ở vùng nhiệt độ dương nhưng dốc xuống nhanh hơn ở vùng nhiệt độ âm sâu. Bảng thông số trao đổi nhiệt cũng chỉ ra rằng hệ số truyền nhiệt tổng U phía không khí của dàn lạnh giảm khoảng 6,5% khi sử dụng R-407C, do sự cản trở truyền nhiệt trong màng lỏng của hỗn hợp không đồng sôi.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận rút ra từ nghiên cứu, 4 giải pháp kỹ thuật cụ thể được khuyến nghị nhằm tối ưu hóa quá trình chuyển đổi hệ thống:

Thay thế toàn bộ dầu khoáng bằng dầu tổng hợp Polyolester (POE): Do R-407C không hòa tan trong dầu khoáng (MO) hay Alkylbenzene (AB), bắt buộc phải súc rửa hệ thống và nạp dầu POE chuyên dụng. Yêu cầu kiểm soát nồng độ dầu khoáng tồn dư dưới ngưỡng 1,0% để tránh hiện tượng tắc nghẽn màng dầu tại dàn bay hơi. Thời gian thực hiện trong vòng 1 đến 2 ngày bảo dưỡng bởi kỹ thuật viên cơ điện lạnh.

Hiệu chỉnh van tiết lưu nhiệt và thiết lập độ quá nhiệt tối ưu: Căn chỉnh vít van tiết lưu để duy trì độ quá nhiệt hơi hút ổn định trong khoảng 7 K đến 10 K. Giải pháp này giúp cải thiện hệ số COP toàn chu trình thêm 5% đến 8%, ngăn ngừa hiện tượng lỏng về máy nén và hạn chế sự gia tăng đột ngột nhiệt độ đầu đẩy. Nhà thầu điện lạnh cần hoàn thành việc hiệu chỉnh ngay trong giai đoạn chạy thử nghiệm 48 giờ đầu tiên.

Áp dụng quy trình nạp gas lỏng đạt định mức 85% đến 90%: Tuyệt đối không nạp R-407C ở pha hơi để tránh hiện tượng phân tách thành phần các chất trong bình chứa. Kỹ thuật viên cần nạp lỏng vào đường ống sau dàn ngưng với khối lượng ban đầu bằng 85% lượng gas R-22 cũ, sau đó bổ sung từng đợt 5% kết hợp theo dõi áp suất hút và dòng điện định mức cho đến khi hệ thống đạt trạng thái cân bằng nhiệt.

Tăng cường giám sát rò rỉ và kiểm tra định kỳ 3 tháng một lần: Thiết lập quy trình bảo dưỡng phòng ngừa, kiểm tra độ kín các mối hàn và rắc-co định kỳ mỗi quý. Do R-407C có độ trượt nhiệt độ cao, sự cố rò rỉ chậm sẽ làm thất thoát thành phần R-32 và R-125 trước, làm biến tính môi chất còn lại trong hệ thống và gây sụt giảm trên 10% công suất làm lạnh nếu không được phát hiện kịp thời.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn mang lại giá trị ứng dụng thiết thực cho 4 nhóm đối tượng sau:

Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống HVAC/R: Tiếp cận bộ thông số vận hành thực tế, hiểu rõ bản chất độ trượt nhiệt độ của môi chất không đồng sôi để tính toán chính xác kích thước đường ống, công suất máy nén và diện tích trao đổi nhiệt khi chuyển đổi sang môi chất HFC.

Chủ doanh nghiệp sở hữu chuỗi kho lạnh và cơ sở chế biến thực phẩm: Nắm bắt giải pháp kỹ thuật retrofit tiết kiệm 30% đến 50% chi phí đầu tư ban đầu so với việc mua mới toàn bộ tổ máy, đồng thời chủ động xây dựng lộ trình tuân thủ cam kết môi trường quốc tế trước thời hạn năm 2040.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt: Sử dụng mô hình toán học trên phần mềm EES v9.427 làm học liệu tham khảo chất lượng cao, phục vụ công tác giảng dạy các môn học Nhiệt động lực học ứng dụng và Máy lạnh công nghiệp.

Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách môi trường: Thu thập dữ liệu thực tế tại Việt Nam để đánh giá mức độ sẵn sàng kỹ thuật của doanh nghiệp, từ đó ban hành các tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn chuyển đổi môi chất lạnh HCFC một cách khoa học, hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

Có thể nạp trực tiếp môi chất R-407C vào hệ thống đang chạy R-22 mà không thay dầu bôi trơn không? Tuyệt đối không thể nạp trực tiếp kiểu drop-in mà không thay dầu. Môi chất R-407C không có khả năng hòa tan và hồi dầu với dầu khoáng thông thường. Nếu không thay thế bằng dầu tổng hợp POE và kiểm soát lượng dầu cũ dưới 1%, dầu sẽ đọng lại thành màng cách nhiệt trong dàn lạnh, làm giảm 20% hiệu suất truyền nhiệt và gây cháy máy nén do thiếu bôi trơn.

Độ trượt nhiệt độ của R-407C ảnh hưởng tiêu cực như thế nào đến dàn bay hơi và ngưng tụ? Độ trượt nhiệt độ từ 5,0 K đến 7,0 K khiến quá trình chuyển pha diễn ra ở nhiệt độ biến thiên dọc theo chiều dài ống trao đổi nhiệt. Điều này làm thay đổi độ chênh nhiệt độ trung bình logarit (LMTD) và có thể làm giảm hệ số truyền nhiệt đối lưu từ 5% đến 10%, đòi hỏi dàn trao đổi nhiệt phải được bố trí ngược chiều dòng không khí để tối ưu hóa hiệu quả nhiệt.

Tại sao R-407C không phải là lựa chọn lý tưởng cho các kho lạnh cấp đông sâu dưới âm 18 độ C? Tại dải nhiệt độ âm sâu dưới âm 18 độ C, tỷ số nén của hệ thống sử dụng R-407C tăng cao hơn 15% so với R-22, trong khi năng suất lạnh thể tích suy giảm nhanh. Điều này khiến hệ số COP sụt giảm mạnh trên 12%, làm tăng đáng kể lượng điện năng tiêu thụ và gây quá tải nhiệt cho động cơ máy nén.

Lượng nạp gas R-407C được tính toán như thế nào so với lượng gas R-22 ban đầu? Do khối lượng riêng ở trạng thái lỏng của R-407C thấp hơn R-22 khoảng 10% đến 15%, lượng môi chất nạp tối ưu chỉ cần đạt từ 85% đến 90% khối lượng định mức của R-22. Quá trình nạp bắt buộc phải thực hiện ở thể lỏng từ bình chứa để đảm bảo đúng tỷ lệ phần trăm các chất thành phần trong hỗn hợp.

Nhiệt độ cuối tầm nén của R-407C thay đổi ra sao và đem lại lợi ích gì cho máy nén? Thực nghiệm chứng minh nhiệt độ khí đẩy cuối tầm nén của R-407C luôn thấp hơn R-22 từ 5 độ C đến 12 độ C trong mọi chế độ làm việc. Nhiệt độ làm việc mát hơn giúp giảm tải nhiệt cho cuộn dây động cơ máy nén kín, ngăn chặn quá trình oxy hóa dầu POE và kéo dài tuổi thọ vòng bi cơ khí thêm 15% đến 20%.

Kết luận

• R-407C là giải pháp retrofit khả thi nhất về mặt kinh tế và kỹ thuật để thay thế R-22 trong các kho lạnh thương mại hoạt động ở dải nhiệt độ trung bình từ dương 5 độ C đến âm 10 độ C.
• Môi chất R-407C loại bỏ hoàn toàn nguy cơ phá hủy tầng ozone với ODP bằng 0 và giảm phát thải khí nhà kính với chỉ số GWP đạt 1774.
• Hệ thống duy trì được công suất lạnh và hiệu suất năng lượng tương đương R-22 ở nhiệt độ dương, đồng thời hạ thấp nhiệt độ cuối tầm nén từ 5 độ C đến 12 độ C.
• Quy trình chuyển đổi đòi hỏi bắt buộc phải thay thế sang dầu bôi trơn tổng hợp POE và nạp môi chất lỏng ở mức định lượng 85% đến 90% khối lượng ban đầu.
• Mô hình mô phỏng chu trình trên phần mềm EES v9.427 có độ chính xác cao, cung cấp công cụ tính toán tin cậy cho công tác thiết kế và đánh giá hệ thống lạnh thực tế.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã chuẩn hóa cơ sở dữ liệu thực nghiệm và xây dựng quy trình kỹ thuật chuyển đổi an toàn, hiệu quả cho các kho lạnh thương mại tại Việt Nam. Để chuẩn bị cho mốc loại trừ hoàn toàn HCFC theo lộ trình 2030-2040, các doanh nghiệp và cơ sở bảo quản thực phẩm cần chủ động rà soát hiện trạng thiết bị, đánh giá tuổi thọ máy nén và áp dụng giải pháp retrofit R-407C nhằm tối ưu hóa chi phí vận hành và bảo vệ môi trường bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.