Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật nhiệt (mã số: 9520115) với đề tài "Nghiên cứu xác định tính chất nhiệt động và khả năng ứng dụng của một số HFO trong lĩnh vực điều hòa không khí" do nghiên cứu sinh Phan Thị Thu Hường thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lại Ngọc Anh tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (năm 2021).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Theo báo cáo đánh giá khoa học của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC 2014), các khí nhà kính flo hóa (khí F) chiếm khoảng 2% nguyên nhân gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu. Trong cơ cấu phát thải khí F, hydrofluorocarbon (HFC) chiếm 91%, perfluorocarbon (PFC) chiếm 6% và lưu huỳnh hexafluoride ($\text{SF}_6$) chiếm 3%. Số liệu thống kê năm 2012 cho thấy ngành lạnh và điều hòa không khí (ĐHKK) tiêu thụ tới 86% tổng lượng HFC toàn cầu (tính theo đương lượng $\text{CO}_2$), trong đó lĩnh vực ĐHKK chiếm 65% và máy lạnh chiếm 35%. Đồng thời, năng lượng điện tiêu thụ cho các hệ thống lạnh trong các tòa nhà chiếm khoảng 50% tổng điện năng tiêu thụ của tòa nhà và chiếm tới 20% tổng năng lượng tiêu thụ của một quốc gia.

Hiện nay, các hệ thống ĐHKK chủ yếu sử dụng các môi chất: R22 (nhóm HCFC có tiềm năng làm suy giảm tầng ô-dôn ODP > 0), R134a (nhóm HFC có tiềm năng làm nóng toàn cầu $\text{GWP} = 1430$, chiếm 28% lượng tiêu thụ toàn cầu năm 2012) và R410A (hỗn hợp chứa R125 có $\text{GWP} = 3500$, chiếm 43% lượng tiêu thụ toàn cầu). Theo Nghị định thư Montreal, R22 đang trong lộ trình bị cấm hoàn toàn; tại Việt Nam, Quyết định số 1888/QĐ-BTNMT quy định nghĩa vụ cắt giảm 35% mức tiêu thụ cơ sở các chất HCFC giai đoạn 2020–2024 và loại bỏ 1.000 tấn R22. Tại Liên minh Châu Âu, Chỉ thị 2006/40/EC và Quy định F-gas cấm sử dụng các môi chất có $\text{GWP} > 150$ trên hệ thống điều hòa không khí ô tô mới từ năm 2011 và trên toàn bộ ô tô từ năm 2017.

Để giải quyết đồng thời hai yêu cầu bảo vệ môi trường ($\text{ODP} = 0$, GWP thấp) và nâng cao hiệu quả năng lượng (hệ số hiệu quả làm lạnh COP cao), nhóm môi chất Hydrofluoro-olefin (HFO) thuộc thế hệ môi chất lạnh thứ 4 được xem là ứng viên thay thế phù hợp. Tuy nhiên, rào cản lớn trong nghiên cứu ứng dụng là sự thiếu hụt các bộ số liệu nhiệt động chính xác, đầy đủ và chi tiết cho các chất HFO mới (như R1234ze(Z), R1243zf), cũng như sự thiếu hụt các nghiên cứu so sánh chu trình nhiệt động lý thuyết và thử nghiệm thực nghiệm trên các hệ thống thiết bị thực tế trong điều kiện vận hành cụ thể.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu các môi chất lạnh thay thế tiềm năng thuộc thế hệ thứ 4 (dòng HFO) nhằm thay thế cho các môi chất lạnh truyền thống (R22, R134a) đang sử dụng trong hệ thống ĐHKK, thỏa mãn các tiêu chí giảm thiểu tác động môi trường và duy trì hoặc nâng cao hiệu quả năng lượng.

Nội dung nghiên cứu cụ thể được triển khai qua 4 nhiệm vụ:

  1. Nghiên cứu tổng quan về các thế hệ môi chất lạnh, cơ sở pháp lý và lựa chọn 4 môi chất lạnh tiềm năng dòng HFO: R1234ze(Z), R1243zf, R1234yf và R1234ze(E).
  2. Nghiên cứu mô hình tương tác phân tử và phương pháp xác định các đại lượng đặc trưng phân tử; tính toán và thiết lập bộ dữ liệu nhiệt động chi tiết cho R1234ze(Z) và R1243zf.
  3. Nghiên cứu lý thuyết chu trình máy lạnh nén hơi cơ bản, đánh giá hiệu quả biến đổi năng lượng của các môi chất HFO so với các môi chất truyền thống (R22, R134a, R245fa, R152a, R32).
  4. Nghiên cứu thực nghiệm chu trình làm lạnh nước sử dụng môi chất R1234ze(E) thay thế trực tiếp cho R134a, xác định các đặc tính vận hành và hiệu suất nén không thuận nghịch.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các môi chất lạnh thế hệ thứ tư nhóm HFO gồm R1234ze(E), R1234ze(Z), R1243zf, R1234yf trong mối tương quan so sánh với các môi chất R22, R134a, R245fa, R152a, R32.
  • Phạm vi không gian và công nghệ: Các hệ thống điều hòa không khí và máy làm lạnh nước (water chiller); mô hình chu trình nhiệt động nén hơi 1 cấp; mô hình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt - Lạnh, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
  • Phạm vi thông số nhiệt động:
    • Khảo sát lý thuyết chu trình nén hơi ở dải nhiệt độ bay hơi $t_o$ từ $-5\ ^\circ\text{C}$ đến $15\ ^\circ\text{C}$, nhiệt độ ngưng tụ $t_k$ thay đổi tương ứng với điều kiện giải nhiệt.
    • Tính toán bảng số liệu nhiệt động cho R1234ze(Z) và R1243zf trên đường bão hòa và vùng 1 pha (áp suất từ $0,5\ \text{MPa}$ đến $10,0\ \text{MPa}$, nhiệt độ từ $-40\ ^\circ\text{C}$ đến $105\ ^\circ\text{C}$).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Lịch sử phát triển các thế hệ môi chất lạnh

  1. Thế hệ thứ nhất (1830–1930): Sử dụng bất kỳ chất nào có tính chất nhiệt động phù hợp làm chất làm lạnh như $\text{NH}_3$, $\text{SO}_2$, $\text{CO}_2$, $\text{CCl}_4$, $\text{CH}_3\text{Cl}$, đa số có tính độc hại, dễ cháy hoặc áp suất làm việc rất cao.
  2. Thế hệ thứ hai (1930–1990): Các hợp chất Chlorofluorocarbon (CFC: R11, R12, R115) và Hydrochlorofluorocarbon (HCFC: R22). Các chất này bền vững, không cháy, hiệu suất tốt nhưng có chỉ số ODP cao, gây phá hủy tầng ô-dôn và bị kiểm soát bởi Nghị định thư Montreal (1987).
  3. Thế hệ thứ ba (1990–2010): Các hợp chất Hydrofluorocarbon (HFC: R134a, R404A, R407C, R410A). Các chất này có $\text{ODP} = 0$ nhưng chỉ số GWP rất cao (hàng nghìn lần $\text{CO}_2$), bị đưa vào diện kiểm soát cắt giảm theo Nghị định thư Kyoto và Thỏa thuận Paris.
  4. Thế hệ thứ tư (từ 2010 đến nay): Hướng đến các môi chất có $\text{ODP} = 0$, $\text{GWP} < 150$, bao gồm các môi chất tự nhiên ($\text{CO}_2$, $\text{NH}_3$, Hydrocarbon) và dòng Hydrofluoro-olefin (HFO) có nối đôi $\text{C}=\text{C}$ trong cấu trúc phân tử giúp thời gian tồn tại trong khí quyển rất ngắn.
+---------------+-------------------+-----------------------------------+
| Thế hệ        | Giai đoạn         | Môi chất tiêu biểu / Đặc trưng    |
+---------------+-------------------+-----------------------------------+
| Thế hệ thứ 1  | 1830 - 1930       | NH3, SO2, CO2, Ete (độc, dễ cháy) |
| Thế hệ thứ 2  | 1930 - 1990       | CFC (R11, R12), HCFC (R22)        |
| Thế hệ thứ 3  | 1990 - 2010       | HFC (R134a, R404A, R410A)         |
| Thế hệ thứ 4  | 2010 - nay        | HFO (R1234yf, R1234ze, R1243zf)   |
+---------------+-------------------+-----------------------------------+

Các hướng nghiên cứu đã được điểm lại

  • Phương pháp xác định tính chất nhiệt động:
    • Phương pháp dự đoán/mô hình hóa: Phương trình trạng thái dựa trên mô hình đồng dạng mở rộng (ECS), phương trình trạng thái tương tác phân tử (MBEOS), lý thuyết chuỗi thống kê nhiễu loạn (PC-SAFT). Các tác giả quốc tế như Muller (mô hình năng lượng tự do Helmholtz cho chất lỏng đa cực), Nicola, Brown, Yukihiro đã công bố một số dữ liệu thực nghiệm rời rạc về áp suất bão hòa và khối lượng riêng của các đồng phân HFO.
    • Nghiên cứu chu trình nhiệt động lý thuyết và thực nghiệm: Các công bố quốc tế và trong nước đã khảo sát khả năng thay thế của R1234yf và R1234ze(E) cho R134a trong điều hòa ô tô và máy lạnh gia dụng, xác định sự suy giảm nhẹ về năng suất lạnh thể tích nhưng tương đương về hệ số COP.
  • Khảo sát các đồng phân HFO: Luận án đã tổng hợp 8 đồng phân thuộc các nhóm R1225, R1234 và R1243 (bảng 1.7 và 1.8 trong văn bản), đánh giá các thông số tới hạn ($T_c, p_c, \rho_c$), nhiệt dung đẳng áp khí lý tưởng $C_p^0$ và hệ số không đối xứng $\omega$.

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn

Mặc dù R1234yf và R1234ze(E) đã bắt đầu được quan tâm, hai đồng phân HFO khác là R1234ze(Z) (đồng phân dạng Cis của 1,3,3,3-tetrafluoropropene) và R1243zf (3,3,3-trifluoropropene) vẫn chưa có hệ thống bảng số liệu nhiệt động hoàn chỉnh trên đường bão hòa và vùng một pha (lỏng chưa sôi và hơi quá nhiệt). Thêm vào đó, mối tương quan định lượng giữa các thông số vận hành thực tế (hiệu suất nén không thuận nghịch, nhiệt độ đầu hút, tỉ số nén) với hiệu quả năng lượng của chu trình sử dụng R1234ze(E) chưa được thiết lập chi tiết bằng thực nghiệm trên mô hình máy làm lạnh nước tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết mô hình tương tác phân tử và năng lượng Helmholtz

Luận án sử dụng phương trình trạng thái dựa trên năng lượng tự do Helmholtz ($F$). Năng lượng Helmholtz toàn phần được phân tách thành hai phần: phần khí lý tưởng ($F^0$) và phần thực ($F^r$): $$F = F^0 + F^r$$ Trong đó, phần dư thực ($F^r$) được cấu thành từ ba thành phần lực tương tác phân tử theo mô hình thống kê vi mô: $$F^r = F^H + F^A + F^Q$$

  • $F^H$ (Hard-body contribution): Năng lượng do tương tác đẩy của các hạt rắn, phụ thuộc vào số phần tử tương đương ($m$) và đường kính phân tử ($\sigma$).
  • $F^A$ (Attractive dispersion force contribution): Năng lượng do lực phân tán hấp dẫn (sử dụng thế Lennard-Jones), phụ thuộc vào chiều cao giếng thế năng ($\epsilon/k_B$) và hệ số dị hướng ($\alpha$).
  • $F^Q$ (Quadrupolar contribution): Năng lượng do tương tác đa cực sinh ra bởi momen tứ cực không thứ nguyên ($Q^{*2}$).

Từ năng lượng Helmholtz vi phân, các hàm nhiệt động cơ bản được thiết lập thông qua các đạo hàm riêng: áp suất $p = \rho^2 (\partial F / \partial \rho)T$, nội năng riêng $u = F - T (\partial F / \partial T)\rho$, entropy riêng $s = -(\partial F / \partial T)_\rho$, entanpy riêng $h = u + p/\rho$, nhiệt dung riêng đẳng tích $C_v$, nhiệt dung riêng đẳng áp $C_p$ và tốc độ âm thanh $w$.

Phương pháp xác định các tham số phân tử và số liệu nhiệt động

Để tìm các đại lượng đặc trưng phân tử ($m, \sigma, \epsilon/k_B, Q^{*2}, \alpha$) cho từng môi chất, tác giả sử dụng thuật toán tối ưu hóa phi tuyến đa biến Simplex (thuật toán đơn hình của Nelder-Mead). Hàm mục tiêu tối ưu hóa được xây dựng dựa trên cực tiểu hóa độ sai lệch tuyệt đối trung bình (AAD) giữa áp suất bão hòa thực nghiệm ($p_{s,\exp}$), khối lượng riêng thực nghiệm ($\rho_{\exp}$) và các giá trị tính toán lý thuyết: $$\text{AAD} = \frac{1}{N} \sum_{i=1}^N \left| \frac{X_{i,\exp} - X_{i,\text{cal}}}{X_{i,\exp}} \right| \times 100%$$

+------------------------------------+--------------------------------------------------+
| Thành phần năng lượng Helmholtz    | Ý nghĩa vật lý / Tham số đặc trưng               |
+------------------------------------+--------------------------------------------------+
| Khí lý tưởng (F0)                  | Năng lượng chuyển động nhiệt không tương tác     |
| Tương tác rắn (FH)                 | Lực đẩy phân tử: m (số đoạn), \sigma (đường kính)|
| Lực hấp dẫn phân tán (FA)          | Thế Lennard-Jones: \epsilon/kB (giếng thế năng)  |
| Tương tác đa cực (FQ)              | Lực tĩnh điện/phân cực: Q*2 (momen tứ cực)       |
+------------------------------------+--------------------------------------------------+

Phương pháp nghiên cứu chu trình lý thuyết và thực nghiệm

  1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết chu trình lạnh:
    • Xây dựng mô hình toán chu trình nén hơi 1 cấp tiêu chuẩn trên đồ thị $lgp-h$.
    • Tính toán các đại lượng đặc trưng: năng suất lạnh riêng thể tích $q_v\ (\text{kJ/m}^3)$, công nén riêng $l\ (\text{kJ/kg})$, hệ số hiệu quả làm lạnh $\text{COP} = q_o / l$, nhiệt độ đầu đẩy máy nén $t_2$, tỉ số nén $\Pi = p_k / p_o$.
    • Khảo sát các chế độ vận hành với dải nhiệt độ bay hơi $t_o \in [-5, 15]\ ^\circ\text{C}$ và nhiệt độ ngưng tụ $t_k \in [30, 50]\ ^\circ\text{C}$, xét cả hai trường hợp: hiệu suất nén đẳng entropy lý tưởng ($\eta = 100%$) và hiệu suất nén không thuận nghịch thực tế ($\eta_i$).
  2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
    • Chế tạo mô hình thực nghiệm máy làm lạnh nước (water chiller) cỡ nhỏ giải nhiệt gió.
    • Hệ thống trang bị thiết bị bay hơi làm lạnh nước có cánh khuấy và bộ gia nhiệt điều chỉnh công suất nhằm duy trì phụ tải nhiệt ổn định; thiết bị ngưng tụ giải nhiệt gió có bộ sấy điều chỉnh nhiệt độ không khí đầu vào.
    • Hệ thống đo lường và thu thập dữ liệu gồm: máy tính kết nối bộ thu thập số liệu Agilent (chu kỳ quét 3 giây), cảm biến lưu lượng Sensirion, các đầu đo nhiệt độ Pt100 và cảm biến áp suất được kiểm chuẩn tại Viện Đo lường Việt Nam (đạt độ không đảm bảo đo mở rộng $U_{95}$).
    • Tiến hành thí nghiệm so sánh đối chứng giữa R134a và R1234ze(E) ở trạng thái xác lập liên tục trong 30 phút cho mỗi chế độ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 – Tổng quan nghiên cứu và ứng dụng môi chất lạnh thay thế

  • Trình bày bức tranh tổng thể về quá trình chuyển dịch môi chất lạnh trên thế giới và tại Việt Nam dưới tác động của các quy định môi trường.
  • Tổng kết các công trình nghiên cứu tính chất nhiệt động lý thuyết và thực nghiệm trong và ngoài nước (bảng 1.3 đến bảng 1.6).
  • Phân tích cấu trúc phân tử và tính chất hóa lý của 8 đồng phân HFO. Qua sàng lọc sơ bộ về nhiệt độ sôi thường $t_b$, áp suất tới hạn $p_c$ và độ an toàn môi trường, 4 môi chất tiềm năng được lựa chọn nghiên cứu chi tiết gồm: R1234yf, R1234ze(E), R1234ze(Z) và R1243zf.

Chương 2 – Cơ sở lý thuyết

  • Thiết lập chi tiết cơ sở toán học của mô hình tương tác phân tử và biểu thức năng lượng tự do Helmholtz ($F$).
  • Trình bày hệ thống các phương trình vi phân xác định các hàm trạng thái nhiệt động ($p, v, T, h, s, u, C_p, C_v, w$).
  • Xây dựng thuật toán đơn hình Simplex tối ưu hóa phi tuyến để xác định các thông số phân tử ($m, \sigma, \epsilon/k_B, Q^{*2}, \alpha$).
  • Đề xuất lưu đồ thuật toán và quy trình sàng lọc, đánh giá môi chất lạnh thay thế từ bước phân tích văn bản pháp quy, tính toán nhiệt động đến thử nghiệm chu trình.

Chương 3 – Nghiên cứu xác định số liệu nhiệt động của môi chất R1234ze(Z) và R1243zf

  • Môi chất R1234ze(Z):
    • Cấu tạo không gian: dạng Cis của 1,3,3,3-tetrafluoropropene ($CF_3-CH=CHF$).
    • Sử dụng số liệu thực nghiệm của Yukihiro [26] và các tác giả quốc tế để xác định bộ thông số đặc trưng phân tử.
    • Đánh giá sai số cho thấy kết quả tính toán có độ lệch tuyệt đối trung bình AAD đối với áp suất bão hòa $p_s$ và khối lượng riêng $\rho$ nhỏ hơn 1%, chứng minh độ tin cậy của mô hình.
    • Lập bảng thông số đường bão hòa (Bảng 3.5 và Bảng PL.1) và bảng thông số vùng một pha lỏng chưa sôi/hơi quá nhiệt (Bảng 3.6 và Bảng PL.2), xây dựng đồ thị $lgp-h$.
  • Môi chất R1243zf:
    • Cấu tạo không gian: 3,3,3-trifluoropropene ($CF_3-CH=CH_2$).
    • Sử dụng dữ liệu thực nghiệm thông số tới hạn của Brown [20] và khối lượng riêng của Nicola [24].
    • Xây dựng bộ số liệu nhiệt động hoàn chỉnh: bảng đường bão hòa (Bảng 3.10 và Bảng PL.3), bảng vùng một pha (Bảng 3.11 và Bảng PL.4) ở các cấp áp suất từ 0,5 MPa đến 10,0 MPa, dải nhiệt độ từ $-40\ ^\circ\text{C}$ đến $105\ ^\circ\text{C}$, và đồ thị $lgp-h$ (Hình 3.14).
+---------------+---------------+--------------------+--------------------+--------------------+
| Áp suất (MPa) | Nhiệt độ (°C) | Thể tích (m³/kg)   | Entanpy (kJ/kg)    | Entropy (kJ/kg.K)  |
+---------------+---------------+--------------------+--------------------+--------------------+
| 0,5           | -40           | 0,0009             | 0,21               | 0,00               |
| 0,5           | 0             | 0,0010             | 51,40              | 0,20               |
| 0,5           | 20            | 0,0439             | 265,00             | 0,93               |
| 0,5           | 100           | 0,0610             | 351,00             | 1,19               |
| 1,0           | 45            | 0,0215             | 279,00             | 0,93               |
| 1,0           | 100           | 0,0287             | 344,00             | 1,12               |
+---------------+---------------+--------------------+--------------------+--------------------+

(Số liệu trích xuất từ bảng thông số vùng 1 pha của R1243zf - Phụ lục PL40-PL41)

Chương 4 – Nghiên cứu lý thuyết chu trình lạnh sử dụng môi chất lạnh tiềm năng

  • Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng:
    • Nhiệt độ bay hơi ($t_o$) tăng từ $-5\ ^\circ\text{C}$ đến $15\ ^\circ\text{C}$: áp suất hút tăng, tỉ số nén $\Pi$ giảm, năng suất lạnh thể tích $q_v$ tăng, hệ số COP tăng tuyến tính.
    • Nhiệt độ ngưng tụ ($t_k$) tăng: tỉ số nén tăng, công nén tăng, COP và $q_v$ giảm.
    • Hiệu suất nén không thuận nghịch ($\eta_i$) làm giảm COP thực tế so với chu trình lý tưởng.
  • Tiềm năng thay thế cho R22:
    • R1234ze(Z) có nhiệt độ sôi cao ($t_b \approx 9,8\ ^\circ\text{C}$), áp suất làm việc thấp và năng suất lạnh thể tích thấp hơn nhiều so với R22, do đó không phù hợp thay thế trực tiếp cho R22 trong điều hòa không khí thông thường, nhưng có tiềm năng ứng dụng trong các chu trình bơm nhiệt nhiệt độ cao.
    • R1243zf, R1234ze(E), R1234yf có nhiệt độ đầu đẩy máy nén thấp hơn R22, tỉ số nén tương đương, COP lý thuyết tương đương hoặc chênh lệch không đáng kể.
  • Tiềm năng thay thế cho R134a:
    • R1234ze(E) và R1234yf có đường áp suất bão hòa, nhiệt độ tới hạn và COP rất gần với R134a.
    • R1234ze(E) có COP lý thuyết cao hơn R134a khoảng 1–3% ở một số chế độ nhiệt độ bay hơi cao, trong khi năng suất lạnh thể tích $q_v$ thấp hơn khoảng 15–20% (yêu cầu máy nén có thể tích quét lớn hơn nếu thiết kế mới).
    • R1234yf có đặc tính tương thích áp suất và năng suất lạnh thể tích gần như hoàn toàn với R134a.
+---------------+-------------------+---------------+---------------+---------------------+
| Môi chất      | Nhiệt độ sôi (°C) | GWP           | ODP           | Tiềm năng thay thế  |
+---------------+-------------------+---------------+---------------+---------------------+
| R22           | -40,8             | 1810          | 0,055         | Môi chất cần thay   |
| R134a         | -26,1             | 1430          | 0             | Môi chất cần thay   |
| R1234yf       | -29,5             | < 1           | 0             | Thay thế R134a      |
| R1234ze(E)    | -19,0             | < 1           | 0             | Thay thế R134a      |
| R1234ze(Z)    | 9,8               | < 1           | 0             | Bơm nhiệt t° cao    |
| R1243zf       | -25,2             | < 1           | 0             | Thay thế R134a, R22 |
+---------------+-------------------+---------------+---------------+---------------------+

Chương 5 – Nghiên cứu thực nghiệm chu trình lạnh sử dụng môi chất R1234ze(E)

  • Mô hình thí nghiệm: Hệ thống máy làm lạnh nước sử dụng máy nén kín, thiết bị ngưng tụ ống đồng cánh nhôm giải nhiệt gió, thiết bị bay hơi dạng bình vỏ bọc trao đổi nhiệt với nước lạnh.
  • Khảo sát hiệu suất nén không thuận nghịch: Qua thực nghiệm trên môi chất R1234ze(E), luận án đã xác định các hàm hồi quy thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ giữa hiệu suất nén không thuận nghịch $\eta$ với các thông số vận hành:
    • Quan hệ giữa $\eta$ và tỉ số nén $\Pi$ (với hệ số tương quan $R = 0,78$): $$\eta_{R1234ze(E)} = -0,2406 \Pi + 1,6589$$
    • Quan hệ giữa $\eta$ và nhiệt độ môi chất vào máy nén $T_1$ (với hệ số tương quan $R = 0,96$): $$\eta_{R1234ze(E)} = 0,0068 T_1 + 0,5057$$
    • Quan hệ giữa $\eta$ và nhiệt độ môi chất vào bình bay hơi $T_5$ (với hệ số tương quan $R = 0,93$): $$\eta_{R1234ze(E)} = 0,0452 T_5 + 0,2731$$
  • So sánh thực nghiệm giữa R1234ze(E) và R134a:
    • Kết quả đo đạc thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định khi nạp R1234ze(E) trực tiếp ("drop-in") mà không cần thay đổi kết cấu cơ khí hay dầu bôi trơn.
    • Hệ số COP thực nghiệm của R1234ze(E) biến thiên theo nhiệt độ nước lạnh đầu ra từ $7\ ^\circ\text{C}$ đến $12\ ^\circ\text{C}$, đạt giá trị tương đương (dao động trong khoảng 95–102%) so với môi chất R134a ở cùng điều kiện giải nhiệt.
    • Áp suất làm việc của R1234ze(E) thấp hơn R134a khoảng 15–20%, giúp giảm tải cơ học cho máy nén và tăng độ an toàn áp lực của đường ống.

Chương 6 – Kết quả và bàn luận

  • Tổng hợp, phân tích mối liên hệ logic giữa mô hình tương tác phân tử lý thuyết, số liệu nhiệt động tính toán và kết quả chu trình thực nghiệm.
  • Khẳng định tính chính xác của phương pháp xác định năng lượng Helmholtz đối với các chất có cực thuộc nhóm HFO.
  • Thảo luận về khả năng ứng dụng thực tế của 4 môi chất HFO:
    • R1234yf và R1234ze(E) là hai giải pháp kỹ thuật trực tiếp để loại bỏ R134a trong điều hòa không khí ô tô và máy làm lạnh nước.
    • R1243zf có tiềm năng thương mại hóa cao do chi phí tổng hợp hóa học thấp hơn.
    • R1234ze(Z) định hình phân khúc ứng dụng trong các chu trình bơm nhiệt thu hồi nhiệt thải công nghiệp nhiệt độ cao.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt khoa học lý luận

  1. Hoàn thiện phương pháp tính toán nhiệt động dựa trên mô hình vi mô: Ứng dụng thành công lý thuyết tương tác phân tử và phương trình trạng thái Helmholtz phân tách ($F^0 + F^H + F^A + F^Q$) kết hợp thuật toán tối ưu hóa phi tuyến đa biến Simplex để xác định các đại lượng đặc trưng phân tử ($m, \sigma, \epsilon/k_B, Q^{*2}, \alpha$). Phương pháp này cho phép thiết lập bộ số liệu nhiệt động chính xác cao cho các môi chất lạnh có cấu trúc phân tử bất đối xứng và phân cực mà không đòi hỏi số lượng điểm thực nghiệm quá lớn.
  2. Quy trình đánh giá môi chất lạnh thay thế: Xây dựng quy trình khoa học đồng bộ từ phân tích cơ sở pháp lý môi trường, tính toán số liệu nhiệt động vi mô, mô phỏng chu trình nhiệt động lý thuyết đến kiểm chứng thực nghiệm trên hệ thống thực.

Đóng góp về mặt thực tiễn kỹ thuật

  1. Thiết lập bộ dữ liệu nhiệt động hoàn chỉnh: Xây dựng hệ thống bảng số liệu thông số trạng thái nhiệt động chi tiết trên đường bão hòa và vùng 1 pha (lỏng chưa sôi, hơi quá nhiệt) cùng đồ thị $lgp-h$ cho hai môi chất R1234ze(Z) và R1243zf (áp suất đến 10 MPa, nhiệt độ từ $-40\ ^\circ\text{C}$ đến $105\ ^\circ\text{C}$). Dữ liệu này là cơ sở phục vụ tính toán, thiết kế và mô phỏng thiết bị nhiệt lạnh.
  2. Chứng minh tính khả thi thay thế trực tiếp: Kết quả thử nghiệm trên mô hình thực nghiệm máy làm lạnh nước khẳng định R1234ze(E) hoàn toàn có thể thay thế trực tiếp ("drop-in") cho R134a trong lĩnh vực điều hòa không khí, đảm bảo hiệu quả làm lạnh tương đương, áp suất làm việc thấp hơn và giảm thiểu chỉ số GWP từ 1430 xuống dưới 1.
  3. Mô hình thực nghiệm xác định hiệu suất nén: Thiết lập các công thức thực nghiệm tính toán hiệu suất nén không thuận nghịch $\eta_i$ theo tỉ số nén $\Pi$, nhiệt độ đầu hút $T_1$ và nhiệt độ bay hơi $T_5$ cho môi chất R1234ze(E) với hệ số tương quan cao ($R = 0,78 \div 0,96$).

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Khuyến nghị sử dụng R1234ze(E) và R1234yf làm môi chất thay thế cho R134a trong các hệ thống ĐHKK thương mại, chiller và điều hòa ô tô tại Việt Nam nhằm thực hiện nghĩa vụ cắt giảm phát thải khí nhà kính.
  • Đề xuất ứng dụng R1234ze(Z) cho các hệ thống bơm nhiệt nhiệt độ cao tận dụng nhiệt thải công nghiệp.
  • Kiến nghị các cơ quan quản lý và doanh nghiệp sản xuất thiết bị nhiệt lạnh tại Việt Nam xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn đối với môi chất lạnh nhóm A2L (cháy nhẹ) để sẵn sàng chuyển đổi công nghệ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Do điều kiện thiết bị và nguồn cung mẫu hóa chất, nghiên cứu thực nghiệm chu trình lạnh mới chỉ thực hiện trên môi chất đơn R1234ze(E) thay thế cho R134a; các môi chất R1234ze(Z), R1243zf và R1234yf mới dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết chu trình và tính toán số liệu nhiệt động.
  • Chưa khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng lâu dài của môi chất HFO đến tính chất lưu biến của dầu bôi trơn chuyên dụng (dầu POE/PVE) và độ bền ăn mòn vật liệu gioăng đệm kín trong hệ thống máy nén thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Triển khai nghiên cứu thực nghiệm chu trình bơm nhiệt nhiệt độ cao sử dụng môi chất R1234ze(Z) để kiểm chứng khả năng thu hồi nhiệt thải công nghiệp.
  • Nghiên cứu các chu trình sử dụng hỗn hợp môi chất HFO/HFC (như R1234yf/R32 hoặc R1234ze(E)/R32) nhằm kết hợp ưu điểm về áp suất, năng suất lạnh thể tích và tính không cháy (nhóm A1).
  • Nghiên cứu thực nghiệm quá trình truyền nhiệt sôi và ngưng tụ của các môi chất HFO bên trong các ống trao đổi nhiệt vi kênh (microchannel) để tối ưu hóa kích thước thiết bị trao đổi nhiệt.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị cao trong lĩnh vực Kỹ thuật nhiệt và Công nghệ nhiệt lạnh:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Cung cấp phương pháp luận toán học chi tiết về mô hình hóa nhiệt động phân tử (năng lượng tự do Helmholtz, thuật toán Simplex) để xác định tính chất nhiệt động của chất lưu thực; cung cấp dữ liệu số liệu nhiệt động và đồ thị $lgp-h$ của R1234ze(Z) và R1243zf để phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.
  • Đối với kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống HVAC/Chiller: Cung cấp thông số vận hành so sánh, hệ số hiệu quả COP, tỉ số nén, các phương trình xác định hiệu suất nén không thuận nghịch để tính toán chuyển đổi môi chất lạnh từ R134a sang R1234ze(E).
  • Đối với các nhà hoạch định chính sách môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu kỹ thuật thực chứng phục vụ xây dựng lộ trình loại trừ các chất HCFC và cắt giảm HFC tại Việt Nam theo Nghị định thư Montreal và Thỏa thuận Paris.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao các môi chất nhóm HFO lại có chỉ số GWP rất thấp so với nhóm HFC dù cùng chứa các nguyên tố C, H, F?

Nhóm HFO (Hydrofluoro-olefin) là các hợp chất không no, trong cấu trúc phân tử có chứa liên kết đôi cacbon-cacbon ($\text{C}=\text{C}$). Liên kết đôi này kém bền vững hơn liên kết đơn trong HFC khi phát thải vào khí quyển, dễ dàng bị phân hủy nhanh chóng bởi các gốc hydroxyl ($\text{OH}^-$). Do đó, thời gian tồn tại trong khí quyển của HFO chỉ tính bằng ngày hoặc tuần (so với hàng chục năm của HFC), dẫn đến chỉ số tiềm năng làm nóng toàn cầu $\text{GWP} < 1$.

2. Sự khác biệt cơ bản về tính chất nhiệt động giữa hai đồng phân R1234ze(E) và R1234ze(Z) là gì?

  • R1234ze(E) (dạng Trans) có nhiệt độ sôi tiêu chuẩn $t_b \approx -19\ ^\circ\text{C}$, áp suất làm việc ở mức trung bình, rất phù hợp cho chu trình máy lạnh và điều hòa không khí thay thế cho R134a.
  • R1234ze(Z) (dạng Cis) có nhiệt độ sôi tiêu chuẩn cao hơn ($t_b \approx 9,8\ ^\circ\text{C}$), áp suất bão hòa ở dải nhiệt độ thông thường thấp hơn, không phù hợp cho điều hòa không khí tiêu chuẩn nhưng lại có nhiệt độ tới hạn cao ($T_c \approx 150,1\ ^\circ\text{C}$), đặc biệt thích hợp cho các hệ thống bơm nhiệt nhiệt độ cao.

3. Nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh R1234ze(E) thay thế cho R134a trên hệ thống máy làm lạnh nước như thế nào?

Thực nghiệm trên mô hình máy làm lạnh nước giải nhiệt gió cho thấy R1234ze(E) có thể nạp trực tiếp vào hệ thống đang dùng R134a mà không cần thay đổi kết cấu máy nén hay thiết bị trao đổi nhiệt. Hệ số COP thực nghiệm của R1234ze(E) đạt tương đương R134a (dao động trong khoảng 95–102% tùy thuộc vào nhiệt độ nước lạnh), đồng thời áp suất làm việc của hệ thống giảm khoảng 15–20%.

4. Mô hình toán học năng lượng Helmholtz trong luận án xác định các hàm nhiệt động qua những thành phần lực nào?

Năng lượng tự do Helmholtz phần thực ($F^r$) được cấu thành từ ba thành phần lực vi mô:

  1. $F^H$: Năng lượng tương tác đẩy của các hạt rắn (Hard-body).
  2. $F^A$: Năng lượng tương tác hấp dẫn phân tán (Attractive dispersion) dựa trên thế Lennard-Jones.
  3. $F^Q$: Năng lượng tương tác tĩnh điện đa cực (Quadrupolar) sinh ra do sự phân bố điện tích bất đối xứng trong phân tử có cực.

Kết luận

Luận án của tác giả Phan Thị Thu Hường đã giải quyết thành công bài toán xác định tính chất nhiệt động của các môi chất lạnh thế hệ mới R1234ze(Z) và R1243zf bằng phương pháp mô hình hóa tương tác phân tử và năng lượng tự do Helmholtz. Nghiên cứu đã cung cấp hệ thống dữ liệu nhiệt động, bảng bão hòa, bảng một pha và đồ thị $lgp-h$ hoàn chỉnh phục vụ nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật. Đồng thời, kết quả khảo sát chu trình lý thuyết và thử nghiệm thực nghiệm đã khẳng định tính khả thi của việc sử dụng R1234ze(E) thay thế trực tiếp cho R134a trong lĩnh vực điều hòa không khí, đóng góp cơ sở khoa học quan trọng cho lộ trình chuyển đổi môi chất lạnh thân thiện môi trường tại Việt Nam.