Tổng quan luận án

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. Nguồn phát thải khí F chủ yếu xuất phát từ hoạt động nhân tạo trong các ứng dụng dân dụng và công nghiệp, bao gồm hydrofluorocarbon (HFCs chiếm 91%), perfluorocarbon (PFCs chiếm 6%) và lưu huỳnh hexafluoride (SF6 chiếm 3%). Trong cơ cấu sử dụng HFCs, lĩnh vực kỹ thuật lạnh và điều hòa không khí (ĐHKK) chiếm tới 86% tổng lượng tiêu thụ (tính theo đương lượng CO₂). Đồng thời, mức tiêu thụ điện năng cho hệ thống lạnh trong các công trình xây dựng chiếm khoảng 50% tổng điện năng tiêu thụ của tòa nhà và tương đương 20% tổng năng lượng tiêu thụ quốc gia.

Các môi chất lạnh (MCL) đang được sử dụng phổ biến bao gồm R22, R134a, R410A (hỗn hợp R32/R125). R22 là chất hydrochlorofluorocarbon (HCFC) có tiềm năng làm suy giảm tầng ô-dôn (ODP > 0) đang trong lộ trình loại trừ hoàn toàn theo Nghị định thư Montreal. R134a có chỉ số tiềm năng làm nóng trái đất cao (GWP = 1430), R125 trong hỗn hợp R410A có GWP = 3500. Cộng đồng Châu Âu (Luật định 517/2014) đã cấm sử dụng các môi chất có GWP > 150 trên ô tô mới từ năm 2011 và toàn bộ ô tô từ năm 2017. Tại Việt Nam, Quyết định số 1888/QĐ-BTNMT đặt mục tiêu giảm 35% mức tiêu thụ cơ sở các chất HCFC trong giai đoạn 2020–2024, loại bỏ 1000 tấn HCFC-22 trong lĩnh vực làm lạnh và sản xuất xốp XPS.

Dòng môi chất Hydrofluoro-olefin (HFO) thuộc thế hệ môi chất thứ tư sở hữu chỉ số ODP = 0 và GWP rất thấp (< 1 đến dưới 10). Tuy nhiên, khoảng trống nghiên cứu lớn tại thời điểm thực hiện luận án bao gồm:

  • Dữ liệu nhiệt động thực nghiệm của nhiều đồng phân HFO tiềm năng như R1234ze(Z) và R1243zf còn phân tán, thiếu tính hệ thống và chưa có bộ số liệu liên tục cho toàn bộ các vùng trạng thái (lỏng chưa sôi, đường bão hòa, hơi quá nhiệt).
  • Chưa thiết lập đầy đủ phương trình trạng thái có độ chính xác cao dựa trên bản chất tương tác phân tử cho các đồng phân HFO mới.
  • Thiếu các nghiên cứu so sánh lý thuyết toàn diện và thực nghiệm kiểm chứng khả năng thay thế trực tiếp của HFO trong hệ thống điều hòa không khí thực tế tại điều kiện vận hành nhiệt đới của Việt Nam.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục đích tổng quát của luận án là nghiên cứu xác định tính chất nhiệt động và đánh giá khả năng ứng dụng của các môi chất lạnh thế hệ thứ tư dòng HFO nhằm thay thế các môi chất truyền thống trong hệ thống ĐHKK, đáp ứng tiêu chí giảm thiểu tác động môi trường và duy trì hoặc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về các thế hệ môi chất lạnh, cơ sở pháp lý và lựa chọn 04 môi chất dòng HFO để nghiên cứu: R1234ze(Z), R1243zf, R1234yf, R1234ze(E).
  2. Nghiên cứu lý thuyết mô hình tương tác phân tử, phát triển thuật toán xác định các đại lượng đặc trưng của phân tử để xây dựng bộ số liệu nhiệt động chính xác cho R1234ze(Z) và R1243zf.
  3. Đề xuất quy trình và phương pháp sàng lọc, đánh giá đa tiêu chí khả năng thay thế của các môi chất lạnh tiềm năng.
  4. Nghiên cứu lý thuyết chu trình lạnh nén hơi sử dụng các môi chất HFO so sánh với các môi chất truyền thống (R134a, R22, R32, R152a, R245fa).
  5. Thiết kế, chế tạo hệ thống thực nghiệm máy làm lạnh nước giải nhiệt gió để kiểm chứng khả năng thay thế của R1234ze(E) cho R134a, xác định ảnh hưởng của hiệu suất nén không thuận nghịch, tổn thất áp suất và nhiệt độ nước lạnh đến chỉ số hiệu quả năng lượng (COP).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các môi chất lạnh dòng Hydrofluoro-olefin (HFO) có ODP = 0 và GWP thấp, bao gồm R1234ze(E), R1234ze(Z), R1243zf, R1234yf; chu trình nhiệt động của hệ thống ĐHKK và hệ thống làm lạnh nước.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Phạm vi thông số nhiệt động: Vùng lỏng chưa sôi, đường bão hòa và vùng hơi quá nhiệt của R1234ze(Z) và R1243zf.
    • Phạm vi chu trình lý thuyết: Dải nhiệt độ bay hơi từ -5 °C đến 15 °C, nhiệt độ ngưng tụ từ 35 °C đến 55 °C, khảo sát so sánh với R22, R134a, R32, R152a, R245fa.
    • Phạm vi thực nghiệm: Khảo sát chu trình lạnh máy làm lạnh nước giải nhiệt gió sử dụng R1234ze(E) và R134a tại dải nhiệt độ nước lạnh ra từ 8 °C đến 12 °C.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Lịch sử phát triển các thế hệ môi chất lạnh

Luận án hệ thống hóa quá trình phát triển của môi chất lạnh qua 4 giai đoạn:

  1. Thế hệ thứ nhất (1830–1930): Các chất lỏng dễ bay hơi sẵn có trong tự nhiên hoặc công nghiệp hóa chất ban đầu (SO₂, CO₂, NH₃, Ether). Đặc tính chung là dễ cháy, độc hại, dễ gây tai nạn nổ hoặc ngộ độc.
  2. Thế hệ thứ hai (1931–1990): Các hợp chất nhân tạo CFCs và HCFCs (R12, R22, R114, R13B1). Các chất này có độ bền hóa học cao, không cháy, không độc hại. Tuy nhiên, năm 1974, Rowland và Molina phát hiện nguyên tử Clo trong CFCs/HCFCs phá hủy tầng ô-dôn.
  3. Thế hệ thứ ba (1990–2010): Các hợp chất HFCs (R134a, R410A, R507, R407C) với ODP = 0. Mặc dù bảo vệ tầng ô-dôn, HFCs có chỉ số GWP rất cao, gây hiệu ứng nhà kính mạnh.
  4. Thế hệ thứ tư (2010–nay): Các hợp chất HFOs (R1234yf, R1234ze, R1243zf) và môi chất lạnh tự nhiên (CO₂, NH₃, HC-290, HC-600a), thỏa mãn đồng thời hai tiêu chí: ODP = 0 và GWP < 10.

Cơ sở pháp lý quốc tế và trong nước

  • Quốc tế: Nghị định thư Montreal (1987) và Bản sửa đổi bổ sung Kigali (2016); Luật định F-gas số 517/2014 của Liên minh Châu Âu; Chương trình SNAP (Significant New Alternatives Policy) của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA, 2014); Đạo luật quản lý khí Flo của Nhật Bản (2013/2015).
  • Việt Nam: Luật Bảo vệ Môi trường 2014; Thông tư liên tịch số 14/2005/TTLT/BTM-BTNMT; Thông tư liên tịch số 47/2011/TTLT/BCT-BTNMT; Quyết định số 1888/QĐ-BTNMT phê duyệt Kế hoạch quản lý loại trừ các chất HCFC giai đoạn II (2020–2024).

Tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước

Luận án tổng hợp các hướng nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và xây dựng phương trình trạng thái từ các tài liệu khoa học:

Hướng nghiên cứu Tác giả / Tài liệu trích dẫn Nội dung chính và kết quả
Dự đoán tính chất nhiệt động Joback & Reid (1987) [14]
Constantinou & Gani (1994) [15]
Lai (2014) [17]		 Phương pháp đóng góp nhóm bậc 1 và bậc 2 để dự đoán $T_b, T_c, P_c, C_p^0$. Lai cải tiến phương pháp Joback qua môi chất tham chiếu nhằm tăng độ chính xác.
Thực nghiệm xác định tính chất Katsuyuki (2010) [19]
Brown (2013) [20]
An (2011) [22]
Higashi (2013) [26]
Gil (2008) [27]		 Đo áp suất bão hòa và khối lượng riêng của R1234ze(E), R1234ze(Z); đo 83 điểm áp suất bão hòa của R1243zf ($AAD = 0{,}077%–0{,}086%$); đo $pvT$ của R1234ze(E) bằng phương pháp Burnett; đo thông số tới hạn của R1234ze(Z) và R245fa.
Phương trình trạng thái (EOS) Jacobsen (1992) [33]
Akasaka (2010, 2011) [35, 49]
Lemmon (2000, 2009) [40, 42]
Müller (1998) [44]		 Đánh giá sai số phương trình Peng-Robinson, Patel-Teja; xây dựng phương trình đa tham số cho Propan, Dimethyl Carbonate; phát triển phương trình trạng thái dựa trên năng lượng tự do Helmholtz và tương tác phân tử (MBEOS).
Nghiên cứu chu trình (Quốc tế) Sad Jarall (2012) [50]
Naushad A. (2014) [51]
Francisco Molés (2014) [52]
Adrián Mota (2014) [53]
Claudio Zilio (2011) [58]
AB Pearson (2012) [59]		 Đánh giá COP và exergy của chu trình nén hơi có hồi nhiệt, ejector dùng R1234yf, R1234ze(E); khảo sát thực nghiệm R1234ze thay R134a trên máy làm lạnh nước ly tâm 250 kW.
Nghiên cứu chu trình (Việt Nam) Võ Chí Chính (2008, 2010) [54, 56]
Lê Xuân Hòa (2004) [55]
Nguyễn Đức Lợi (2011) [57]
Phạm Văn Tùy (2008) [61]
Trần Văn Ngũ (2010) [63]
Trần Văn Thông (2008) [64]		 Tính toán chu trình 1 cấp, 2 cấp có bình trung gian; chu trình máy lạnh ejector; so sánh COP và exergy của R1234yf, R32 với R134a; thực nghiệm R290/R600a trên ĐHKK ô tô và tủ lạnh dân dụng; thử nghiệm R407C thay thế R22.

Vị trí và khoảng trống luận án giải quyết

Trong số 19 đồng phân HFO thuộc các nhóm R1225, R1234 và R1243 (Bảng 1.7), nhóm tác giả Brown (2010) [34, 65] đã sàng lọc 8 đồng phân tiềm năng. Hai chất R1234yf và R1234ze(E) đã được quốc tế nghiên cứu sâu, trong khi các đồng phân như R1234ze(Z) và R1243zf chưa có mô hình trạng thái toàn diện. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống về việc xác lập bộ số liệu nhiệt động giải tích chính xác cao cho R1234ze(Z) và R1243zf bằng mô hình tương tác phân tử, đồng thời thực hiện chuỗi đánh giá so sánh chu trình lý thuyết đa môi chất và kiểm chứng thực nghiệm R1234ze(E) trong điều kiện vận hành tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Mô hình tương tác phân tử và năng lượng tự do Helmholtz

Luận án áp dụng phương trình trạng thái dựa trên cấu trúc phân tử (MBEOS), biểu diễn thông qua hàm năng lượng tự do Helmholtz không thứ nguyên $F/(Nk_B T)$:

$$\frac{F}{Nk_B T} = \frac{F^0}{Nk_B T} + \frac{F^r}{Nk_B T}$$

Trong đó, $F^0$ là năng lượng tự do của khí lý tưởng, $F^r$ là năng lượng tự do phần thực (phần dư). Năng lượng phần thực được phân tách thành 3 thành phần tương tác:

$$\frac{F^r}{Nk_B T} = \frac{F^H}{Nk_B T} + \frac{F^A}{Nk_B T} + \frac{F^Q}{Nk_B T}$$

  • $F^H$: Năng lượng do tương tác đẩy của các phần tử hình cầu cứng (Hard-body contribution), xác định theo đường kính phân tử $d$ và độ nén $\eta_c$.
  • $F^A$: Năng lượng do lực hấp dẫn phân tán (Attractive dispersion force contribution), phụ thuộc vào hàm phân bố xuyên tâm và tích phân thế năng Lennard-Jones cải tiến qua các hệ số thực nghiệm theo Müller [44].
  • $F^Q$: Năng lượng do tương tác mô men đa cực tĩnh điện (Quadrupolar contribution), phản ánh độ phân cực không đối xứng của các phân tử chứa liên kết đôi và nguyên tử Flo.

Phương trình trạng thái yêu cầu xác định 4 đại lượng đặc trưng của phân tử:

  1. Nhiệt độ đặc trưng: $T_0\text{ (K)}$ (liên quan đến độ sâu giếng thế năng $\epsilon/k_B$).
  2. Khối lượng riêng đặc trưng: $\rho_0\text{ (mol/l)}$ (liên quan đến đường kính tương đương $\sigma$).
  3. Hệ số dị hướng: $\alpha$ (phản ánh độ bất đối xứng không gian của phân tử).
  4. Mô men đa cực không thứ nguyên: $Q^{*2}$.

Phương pháp tối ưu hóa xác định đại lượng đặc trưng

Để tìm 4 thông số đặc trưng ($T_0, \rho_0, \alpha, Q^{*2}$), tác giả thiết lập hàm mục tiêu phi tuyến biểu diễn độ sai lệch giữa dữ liệu thực nghiệm đã công bố và giá trị tính toán từ mô hình:

$$\Phi(T_0, \rho_0, \alpha, Q^{*2}) = \sum_{i=1}^{N_p} \left[ \frac{p_{s,\text{exp}}(T_i) - p_{s,\text{cal}}(T_i)}{p_{s,\text{exp}}(T_i)} \right]^2 + \sum_{j=1}^{N_\rho} \left[ \frac{\rho'{s,\text{exp}}(T_j) - \rho'{s,\text{cal}}(T_j)}{\rho'_{s,\text{exp}}(T_j)} \right]^2$$

Thuật toán đơn hình Nelder-Mead (Simplex algorithm) được lập trình để cực tiểu hóa hàm mục tiêu $\Phi$, tìm ra bộ 4 thông số tối ưu mà không cần đạo hàm giải tích của hàm mục tiêu phức tạp.

Phương pháp xác định các thông số nhiệt động dẫn xuất

Từ năng lượng tự do Helmholtz $F(T, v)$, các thông số nhiệt động dẫn xuất được thiết lập qua các phép vi phân:

  • Áp suất: $p = - \left(\frac{\partial F}{\partial V}\right)_T = \rho^2 \left(\frac{\partial (F/m)}{\partial \rho}\right)_T$
  • Entanpy: $h = F - T \left(\frac{\partial F}{\partial T}\right)_v + p v$
  • Entropy: $s = - \left(\frac{\partial F}{\partial T}\right)_v$
  • Nhiệt dung riêng đẳng tích và đẳng áp: $C_v = -T \left(\frac{\partial^2 F}{\partial T^2}\right)_v$, $C_p = C_v + T \left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)_v^2 \left(\frac{\partial p}{\partial v}\right)_T^{-1}$

Phương pháp nghiên cứu chu trình và thực nghiệm

  • Mô phỏng chu trình nén hơi: Phân tích các đại lượng: năng suất lạnh riêng khối lượng $q_0 = h_1 - h_4$, công nén riêng $l = h_2 - h_1$, hệ số hiệu quả năng lượng $\text{COP} = q_0 / l$, năng suất lạnh riêng thể tích $q_v = q_0 / v_1$, tỉ số nén $\Pi = p_k / p_0$, và nhiệt độ đầu đẩy máy nén $T_2$.
  • Khảo sát ảnh hưởng phi lý tưởng: Đưa vào hiệu suất nén không thuận nghịch $\eta_i$ và các độ sụt áp $\Delta p_k$, $\Delta p_0$ trên đường ống và thiết bị trao đổi nhiệt.
  • Hệ thống thực nghiệm: Chế tạo mô hình máy làm lạnh nước giải nhiệt gió hoàn chỉnh, tích hợp hệ thống thu thập số liệu tự động (DAQ), hiệu chuẩn cảm biến nhiệt độ Pt100 và cảm biến áp suất với độ không đảm bảo đo mở rộng $U_{95}$.

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương 1 phân tích bức tranh tổng thể về quá trình chuyển dịch môi chất lạnh trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả tổng kết các quy định pháp lý quốc tế (Nghị định thư Montreal, F-Gas EU 517/2014, US EPA SNAP) và lộ trình cắt giảm HCFC/HFC của Việt Nam theo Quyết định 1888/QĐ-BTNMT. Phân tích 19 đồng phân HFO cho thấy các olefin hydro hóa có liên kết đôi $C=C$ không bền vững trong tầng đối lưu (thời gian lưu huỳnh ngắn vài ngày đến vài tuần), dẫn đến chỉ số GWP rất thấp (thường < 1) và ODP = 0. Tác giả xác lập lý do lựa chọn 4 môi chất: R1234ze(E), R1234yf (đã có ứng dụng thương mại sơ khởi), R1234ze(Z) (nhiệt độ sôi cao, tiềm năng cho chu trình nhiệt độ cao) và R1243zf (tính chất nhiệt động gần với R134a và R22 nhưng chưa có dữ liệu hoàn chỉnh).

Chương 2 – Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày chi tiết nền tảng toán học của mô hình tương tác phân tử MBEOS dựa trên thế năng Lennard-Jones và năng lượng Helmholtz phân tách ($F^H, F^A, F^Q$). Tác giả xây dựng lưu đồ thuật toán tính toán nhiệt động và lưu đồ tối ưu hóa đơn hình để khớp 4 tham số đặc trưng ($T_0, \rho_0, \alpha, Q^{*2}$). Đồng thời, chương 2 thiết lập quy trình 4 bước sàng lọc môi chất thay thế: (1) Kiểm tra tính tương thích môi trường và pháp lý; (2) Sàng lọc sơ bộ dựa trên nhiệt độ sôi và thông số tới hạn; (3) Xác định tính chất nhiệt động chi tiết; (4) Đánh giá hiệu quả chu trình nhiệt động và so sánh đa tiêu chí.

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

Tác giả ứng dụng mô hình lý thuyết từ Chương 2 để xác định các đại lượng đặc trưng và thiết lập bảng số liệu nhiệt động cho 2 môi chất:

  1. Môi chất R1234ze(Z) (cis-1,3,3,3-tetrafluoroprop-1-ene):

    • Bộ thông số đặc trưng tối ưu: $T_0 = 413{,}83\text{ K}$; $\rho_0 = 4{,}057\text{ mol/l}$; $\alpha = 1{,}44$; $Q^{*2} = 2{,}756$.
    • Kiểm chứng độ tin cậy: So sánh với dữ liệu thực nghiệm áp suất bão hòa của Katsuyuki [19] và Higashi [26], sai số trung bình tuyệt đối ($AAD$) của áp suất bão hòa đạt mức nhỏ hơn $0{,}5%$; sai số khối lượng riêng lỏng bão hòa nhỏ hơn $1{,}0%$.
    • Xây dựng bảng thông số bão hòa từ nhiệt độ 240 K đến 420 K và đồ thị $lg p - h$.

  2. Môi chất R1243zf (3,3,3-trifluoroprop-1-ene):

    • Bộ thông số đặc trưng tối ưu: $T_0 = 326{,}83\text{ K}$; $\rho_0 = 4{,}375\text{ mol/l}$; $\alpha = 1{,}39$; $Q^{*2} = 1{,}136$.
    • Kiểm chứng độ tin cậy: So sánh với 83 điểm thực nghiệm của Brown [20] và số liệu khối lượng riêng của Nicola [24], $AAD$ của áp suất bão hòa đạt $0{,}32%$, khối lượng riêng lỏng quá lạnh sai lệch dưới $0{,}8%$.
    • Xây dựng bảng tra cứu số liệu nhiệt động vùng lỏng chưa sôi, đường bão hòa, vùng hơi quá nhiệt và đồ thị $lg p - h$.
Bảng tổng hợp bộ thông số đặc trưng phân tử của 2 môi chất HFO:
+-------------+----------+----------------+----------+--------+
| Môi chất    | T0 (K)   | rho0 (mol/l)   | alpha    | Q*2    |
+-------------+----------+----------------+----------+--------+
| R1234ze(Z)  | 413,83   | 4,057          | 1,440    | 2,756  |
| R1243zf     | 326,83   | 4,375          | 1,390    | 1,136  |
+-------------+----------+----------------+----------+--------+

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

Chương 4 thực hiện mô phỏng nhiệt động so sánh 9 môi chất (R1234ze(Z), R1243zf, R1234ze(E), R1234yf, R134a, R22, R32, R152a, R245fa) trong dải nhiệt độ bay hơi $T_0 = -5\text{ }^\circ\text{C} \div 15\text{ }^\circ\text{C}$ và nhiệt độ ngưng tụ $T_k = 35\text{ }^\circ\text{C} \div 55\text{ }^\circ\text{C}$.

Môi chất nghiên cứu Độ sai lệch COP so với R22 (%) Độ sai lệch $T_2$ đầu đẩy so với R22 (%) Độ sai lệch tỉ số nén $\Pi$ so với R22 (%) Khả năng thay thế cho R22
R1243zf -2,02% -5,92% +6,85% Khả thi nhất (thay thế phù hợp)
R1234ze(E) -0,95% -6,51% +16,28% Tiềm năng thay thế
R1234yf -9,71% -7,10% +13,44% Tiềm năng thay thế
R152a +2,15% +1,12% +10,25% Tiềm năng (hạn chế do tính cháy)
R32 +5,40% +15,20% -5,10% GWP cao (675), nhiệt độ đẩy cao
R1234ze(Z) Không phù hợp - - Áp suất quá thấp, không thay trực tiếp
R245fa Không phù hợp - - Áp suất quá thấp, không thay trực tiếp
Môi chất nghiên cứu Độ sai lệch COP so với R134a (%) Độ sai lệch $T_2$ đầu đẩy so với R134a (%) Độ sai lệch tỉ số nén $\Pi$ so với R134a (%) Khả năng thay thế cho R134a
R1243zf -0,52% -1,33% -5,82% Thay thế trực tiếp tốt nhất
R1234ze(E) -0,83% -2,06% +2,48% Thay thế trực tiếp tốt
R1234yf -9,61% -2,63% -0,05% Thay thế được (COP thấp hơn)
R32 Không phù hợp - - Áp suất làm việc vượt trội R134a
R1234ze(Z) Không phù hợp - - Năng suất lạnh thể tích quá nhỏ

Kết luận chính: R1243zf và R1234ze(E) là hai ứng viên thay thế trực tiếp phù hợp nhất cho R134a và R22 trong hệ thống ĐHKK nhờ mức sai lệch COP dưới 1% đối với R134a và dưới 2,1% đối với R22, đồng thời nhiệt độ đầu đẩy máy nén luôn thấp hơn môi chất gốc.

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

Chương 5 thiết lập mô hình thực nghiệm máy làm lạnh nước (water chiller) giải nhiệt gió sử dụng máy nén kín, dàn ngưng tụ ống xoắn cánh nhôm, dàn bay hơi kiểu tấm bản hàn (BHE).

  • Hiệu chuẩn thiết bị đo: Độ không đảm bảo đo mở rộng $U_{95}$ của các cảm biến nhiệt độ đạt $\pm 0{,}08\text{ K}$, cảm biến áp suất đạt $\pm 0{,}15\text{ kPa}$.
  • Kết quả khảo sát hiệu suất nén: Hiệu suất nén không thuận nghịch thực tế $\eta_i$ của máy nén dao động từ 53% đến 63%. Khi tính toán với $\eta_i = 100%$ lý tưởng, COP chu trình đạt từ 5,65 đến 6,02; khi đưa $\eta_i$ thực nghiệm vào tính toán lý thuyết, COP giảm xuống còn 3,01 đến 3,80.
  • Ảnh hưởng của tổn thất áp suất: Tổn thất áp suất đo được là 25 kPa trên đường đẩy (đầu đẩy máy nén đến trước van tiết lưu) và 63 kPa trên đường hút (sau dàn bay hơi về đầu hút máy nén). Tổn thất áp suất làm COP thực tế giảm từ dải 3,01–3,80 xuống còn 2,33–3,01.
  • So sánh thực nghiệm R1234ze(E) và R134a: COP thực nghiệm của R1234ze(E) thấp hơn R134a trung bình 7,8% trên toàn dải chế độ vận hành.
  • Ảnh hưởng của nhiệt độ nước lạnh: Khi tăng nhiệt độ nước lạnh cấp từ 8 °C lên 12 °C, chỉ số COP tăng 15% đối với R134a và tăng 19% đối với R1234ze(E).

Chương 6 – Kết quả và bàn luận

Chương 6 tổng hợp, đối chiếu các kết quả nghiên cứu lý thuyết nhiệt động, mô phỏng chu trình và đo đạc thực nghiệm. Tác giả thảo luận về tính nhất quán giữa phương pháp MBEOS và số liệu thực nghiệm, phân tích nguyên nhân sai lệch hiệu suất thực tế (do ma sát cơ khí, tổn thất áp suất cục bộ và tổn thất truyền nhiệt ra môi trường), khẳng định tính khả thi kỹ thuật của việc nạp thay thế R1234ze(E) cho R134a mà không cần thay đổi cấu trúc cơ bản của hệ thống lạnh.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận khoa học

  1. Thiết lập thành công phương pháp và quy trình xác định thông số nhiệt động của môi chất lạnh dựa trên lý thuyết năng lượng tương tác phân tử Helmholtz (MBEOS) kết hợp thuật toán tối ưu hóa đơn hình đa biến Nelder-Mead.
  2. Xác định chính xác bộ 4 đại lượng đặc trưng phân tử cho 2 môi chất HFO:
    • $R1234ze(Z)$: $T_0 = 413{,}83\text{ K}$; $\rho_0 = 4{,}057\text{ mol/l}$; $\alpha = 1{,}44$; $Q^{*2} = 2{,}756$.
    • $R1243zf$: $T_0 = 326{,}83\text{ K}$; $\rho_0 = 4{,}375\text{ mol/l}$; $\alpha = 1{,}39$; $Q^{*2} = 1{,}136$.
  3. Xây dựng quy trình đánh giá và sàng lọc đa tiêu chí (môi trường, nhiệt động, năng lượng, tỉ số nén, nhiệt độ đầu đẩy) để tìm kiếm môi chất thay thế cho các hệ thống lạnh hiện hữu.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu nhiệt động hoàn chỉnh (vùng lỏng chưa sôi, đường bão hòa, hơi quá nhiệt và đồ thị $lg p - h$) cho R1234ze(Z) và R1243zf. Trong đó, bộ số liệu của R1243zf đã được công bố trên tạp chí khoa học quốc tế thuộc danh mục ISI uy tín.
  2. Chứng minh bằng lý thuyết rằng R1243zf là môi chất thay thế tiềm năng tốt nhất cho cả R134a (COP thấp hơn 0,52%, nhiệt độ đẩy thấp hơn 1,33%, tỉ số nén thấp hơn 5,82%) và R22 (COP thấp hơn 2,02%, nhiệt độ đẩy thấp hơn 5,92%).
  3. Khẳng định bằng thực nghiệm khả năng thay thế trực tiếp của R1234ze(E) cho R134a trong hệ thống máy làm lạnh nước giải nhiệt gió với độ suy giảm COP trung bình dưới 7,8%, đồng thời định lượng chính xác mức độ ảnh hưởng của hiệu suất nén không thuận nghịch, tổn thất áp suất đường ống và nhiệt độ nước làm lạnh đến hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ thống.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Cho phép áp dụng nạp thay thế (drop-in replacement) R1234ze(E) cho R134a trong các hệ thống máy làm lạnh nước điều hòa không khí hiện hữu khi thực hiện các cam kết quốc tế về cắt giảm HFCs.
  • Cần tối ưu hóa đường ống và giảm thiểu trở lực cục bộ trên đường hút của hệ thống khi chuyển đổi sang môi chất HFO do độ nhạy của HFO với tổn thất áp suất cao hơn HFCs.
  • Khuyến nghị nghiên cứu ứng dụng R1234ze(Z) cho các hệ thống bơm nhiệt nhiệt độ cao và chu trình Rankine hữu cơ (ORC) tận dụng nhiệt thừa công nghiệp do môi chất này có nhiệt độ tới hạn cao ($T_c = 426{,}8\text{ K}$).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Luận án tập trung khảo sát các môi chất HFO đơn chất nguyên chất, chưa nghiên cứu sâu các hệ hỗn hợp môi chất (HFO/HFC hoặc HFO/HC) nhằm cải thiện năng suất lạnh thể tích.
  • Nghiên cứu thực nghiệm mới thực hiện trên môi chất R1234ze(E) và R134a trong phạm vi máy làm lạnh nước giải nhiệt gió; môi chất R1243zf và R1234ze(Z) mới dừng lại ở kết quả số liệu nhiệt động và tính toán chu trình lý thuyết do điều kiện nguồn cung mẫu thử thực nghiệm tại thời điểm nghiên cứu.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Tiếp tục mở rộng mô hình tương tác phân tử MBEOS để tính toán tính chất nhiệt động của các hỗn hợp môi chất lạnh đa cấu tử chứa HFO.
  2. Thiết kế chế tạo hệ thống thử nghiệm thực tế đối với R1243zf trong hệ thống ĐHKK và R1234ze(Z) trong hệ thống bơm nhiệt nhiệt độ cao / chu trình phát điện Rankine hữu cơ (ORC).
  3. Đánh giá tính tương thích lâu dài của dòng môi chất HFO với dầu bôi trơn tổng hợp (POE, PAG) và các vật liệu phi kim loại, gioăng đệm làm kín trong máy nén lạnh.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị cao trong chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Lạnh và Điều hòa Không khí:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Cung cấp phương pháp luận chặt chẽ trong việc xây dựng phương trình trạng thái phân tử MBEOS, thuật toán tối ưu hóa phi tuyến đơn hình xác định tính chất chất lưu nhiệt động, cũng như kỹ thuật thực nghiệm chu trình nhiệt động.
  • Đối với kỹ sư thiết kế và vận hành: Cung cấp bảng tra số liệu nhiệt động chi tiết và đồ thị $lg p - h$ của R1243zf và R1234ze(Z) phục vụ trực tiếp công tác tính toán, thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt, chọn máy nén và phân tích chu trình lạnh.
  • Đối với nhà quản lý và hoạch định chính sách: Cung cấp luận cứ khoa học thực chứng về các môi chất HFO có GWP thấp phục vụ xây dựng lộ trình thay thế HFCs tại Việt Nam theo thỏa thuận Kigali thuộc Nghị định thư Montreal và Quyết định 1888/QĐ-BTNMT.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ 4 thông số đặc trưng trong mô hình tương tác phân tử của R1234ze(Z) và R1243zf được xác định là bao nhiêu?

Các thông số đặc trưng được xác định tối ưu thông qua thuật toán đơn hình Nelder-Mead:

  • Đối với R1234ze(Z): Nhiệt độ đặc trưng $T_0 = 413{,}83\text{ K}$, khối lượng riêng đặc trưng $\rho_0 = 4{,}057\text{ mol/l}$, hệ số dị hướng $\alpha = 1{,}440$, mô men đa cực không thứ nguyên $Q^{*2} = 2{,}756$.
  • Đối với R1243zf: Nhiệt độ đặc trưng $T_0 = 326{,}83\text{ K}$, khối lượng riêng đặc trưng $\rho_0 = 4{,}375\text{ mol/l}$, hệ số dị hướng $\alpha = 1{,}390$, mô men đa cực không thứ nguyên $Q^{*2} = 1{,}136$.

2. Môi chất HFO nào có tiềm năng thay thế trực tiếp tốt nhất cho R134a và R22 theo tính toán lý thuyết?

Môi chất R1243zf thể hiện khả năng thay thế tốt nhất cho cả R134a và R22:

  • So với R134a: COP của R1243zf chỉ thấp hơn 0,52%, nhiệt độ đầu đẩy máy nén thấp hơn 1,33% và tỉ số nén thấp hơn 5,82%.
  • So với R22: COP của R1243zf chỉ thấp hơn 2,02%, nhiệt độ đầu đẩy thấp hơn 5,92% và tỉ số nén cao hơn 6,85%.

3. Hiệu suất nén không thuận nghịch và tổn thất áp suất làm suy giảm COP thực nghiệm của R1234ze(E) như thế nào?

Trong điều kiện thí nghiệm thực tế:

  • Hiệu suất nén không thuận nghịch $\eta_i$ thực tế đạt 53% đến 63%, làm COP chu trình giảm từ mức 5,65–6,02 (ứng với $\eta_i = 100%$ lý tưởng) xuống còn 3,01–3,80.
  • Tổn thất áp suất trên đường ống (25 kPa đường đẩy và 63 kPa đường hút) tiếp tục làm COP chu trình thực tế giảm từ mức 3,01–3,80 xuống dải 2,33–3,01.

4. Nhiệt độ nước lạnh ảnh hưởng ra sao đến chỉ số COP của chu trình sử dụng R1234ze(E) và R134a?

Khi nhiệt độ nước lạnh cấp từ bình bay hơi tăng từ 8 °C lên 12 °C, hiệu quả biến đổi năng lượng COP tăng 15% đối với chu trình sử dụng R134a và tăng 19% đối với chu trình sử dụng R1234ze(E).

5. Vì sao R1234ze(Z) không phù hợp để thay thế trực tiếp cho R134a trong điều hòa không khí thông thường?

R1234ze(Z) có nhiệt độ sôi tiêu chuẩn cao ($T_b = 282{,}15\text{ K} \approx 9\text{ }^\circ\text{C}$) và nhiệt độ tới hạn cao ($T_c = 426{,}8\text{ K}$), dẫn đến áp suất bão hòa và năng suất lạnh riêng thể tích $q_v$ ở nhiệt độ điều hòa không khí rất thấp. Do đó, môi chất này không thể nạp thay thế trực tiếp vào máy nén của hệ thống ĐHKK thông thường mà chỉ phù hợp cho ứng dụng bơm nhiệt nhiệt độ cao hoặc chu trình Rankine hữu cơ.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phan Thị Thu Hường đã giải quyết trọn vẹn chuỗi vấn đề từ lý thuyết xác định tính chất nhiệt động phân tử đến mô phỏng chu trình và kiểm chứng thực nghiệm đối với các môi chất lạnh thế hệ thứ tư dòng HFO. Công trình đã xây dựng thành công bộ dữ liệu nhiệt động chính xác cao cho R1234ze(Z) và R1243zf dựa trên mô hình năng lượng tự do Helmholtz kết hợp thuật toán tối ưu hóa đơn hình. Kết quả nghiên cứu khẳng định R1243zf và R1234ze(E) là các giải pháp thay thế kỹ thuật khả thi, thân thiện với môi trường cho R134a và R22 trong lĩnh vực điều hòa không khí, đóng góp luận cứ khoa học quan trọng cho lộ trình chuyển đổi môi chất lạnh tại Việt Nam.