Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế và xã hội hiện nay, việc tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống điều hòa không khí đóng vai trò quan trọng nhằm giảm chi phí vận hành và bảo vệ môi trường. Theo ước tính, hệ thống điều hòa không khí Water Chiller với công suất lớn như 360,000 BTU/h đang được ứng dụng rộng rãi trong các tòa nhà cao tầng tại Việt Nam. Tuy nhiên, chi phí vận hành và tiêu thụ điện năng của các hệ thống này vẫn còn cao, đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Một trong những giải pháp được quan tâm là công nghệ tích trữ lạnh, giúp giảm tải đỉnh và chuyển đổi thời gian vận hành sang giờ thấp điểm, từ đó tiết kiệm chi phí điện năng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tính toán, thiết kế và chế tạo bồn tích trữ lạnh ứng dụng cho hệ thống điều hòa không khí Water Chiller công suất 360,000 BTU/h, nhằm nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt và tiết kiệm năng lượng. Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng nước làm chất tải lạnh và vật liệu nhựa uPVC để chế tạo bộ trao đổi nhiệt trong bồn tích trữ lạnh. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế kỹ thuật, chế tạo thiết bị và thực nghiệm vận hành tại thành phố Hồ Chí Minh trong điều kiện nhiệt độ môi trường cao, đặc biệt vào tháng 3 với độ ẩm khoảng 74%.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp giải pháp kỹ thuật khả thi, giảm chi phí vận hành hệ thống Water Chiller, đồng thời góp phần phát triển công nghệ tích trữ lạnh phù hợp với điều kiện kinh tế và khí hậu Việt Nam. Các chỉ số hiệu quả như độ chênh nhiệt độ chất tải lạnh vào và ra bồn duy trì trong khoảng 3 đến 4 độ C, thời gian xả tải và nạp tải được đánh giá chi tiết nhằm đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết cơ bản về truyền nhiệt và quá trình biến đổi pha, bao gồm:

  • Lý thuyết truyền nhiệt: Quá trình truyền nhiệt trong bồn tích trữ lạnh diễn ra qua dẫn nhiệt và đối lưu cưỡng bức. Hệ số truyền nhiệt được tính toán dựa trên các tiêu chuẩn Reynolds, Prandtl, Nusselt và Grashof để xác định chế độ dòng chảy và hiệu quả trao đổi nhiệt trong ống nhựa uPVC.

  • Lý thuyết quá trình biến đổi pha (PCM): Vật liệu biến đổi pha được sử dụng để lưu trữ năng lượng nhiệt ẩn, giúp duy trì nhiệt độ ổn định trong quá trình nạp và xả tải. Quá trình này bao gồm sự chuyển đổi giữa trạng thái lỏng và rắn của chất tải lạnh, ảnh hưởng đến hiệu suất tích trữ và giải phóng năng lượng.

Các khái niệm chính trong nghiên cứu gồm: hệ số truyền nhiệt, độ chênh nhiệt độ logarit trung bình, lưu lượng chất tải lạnh, tổn thất áp suất trong ống, và đặc tính nhiệt động của vật liệu biến đổi pha.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa tính toán lý thuyết, thiết kế kỹ thuật và thực nghiệm vận hành:

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các bảng catalogue vật liệu (ống nhựa uPVC), thông số vật lý của nước và Propylen Glycol, cùng các số liệu thực nghiệm đo nhiệt độ, lưu lượng và áp suất trong hệ thống.

  • Phương pháp phân tích: Tính toán hệ số truyền nhiệt, lưu lượng nước, tổn thất áp suất dựa trên các công thức chuẩn trong kỹ thuật nhiệt. Thiết kế dàn ống trao đổi nhiệt với kích thước và số lượng ống phù hợp để đạt công suất lạnh 20 kW (giảm quy mô từ 105.4 kW do giới hạn chế tạo). Phân tích hiệu quả trao đổi nhiệt dựa trên sự thay đổi nhiệt độ chất tải lạnh và chất trữ lạnh trong quá trình vận hành.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 10/2017 đến tháng 5/2020, bao gồm giai đoạn tổng quan, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm tại thành phố Hồ Chí Minh. Thời gian vận hành thực nghiệm kéo dài trên 12 giờ để đánh giá hiệu quả tích trữ và xả tải.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả trao đổi nhiệt trong bồn tích trữ lạnh: Độ chênh nhiệt độ giữa chất tải lạnh vào và ra khỏi dàn trao đổi nhiệt duy trì ổn định trong khoảng 3 đến 4 độ C, cho thấy hiệu suất truyền nhiệt tốt. Lưu lượng nước qua mỗi nhánh ống đạt khoảng 5,03 kg/s, với vận tốc dòng chảy trong ống là 2,56 m/s, đảm bảo dòng chảy rối và tăng cường trao đổi nhiệt.

  2. Nhiệt độ nạp và xả tải: Nhiệt độ nước nạp vào bồn tích trữ là 12°C, nhiệt độ nước ra là 7°C, trong khi nhiệt độ chất trữ lạnh Propylen dao động từ -20°C đến 5°C. Thời gian xả tải kéo dài trên 12 giờ, phù hợp với yêu cầu vận hành hệ thống Water Chiller.

  3. Thiết kế dàn ống trao đổi nhiệt: Số lượng ống nhựa uPVC được bố trí là 350 ống, mỗi ống dài 3m, với diện tích trao đổi nhiệt khoảng 69,22 m². Kích thước bồn tích trữ lạnh là 3,7 m x 3,5 m x 2 m, phù hợp với công suất lạnh 20 kW trong nghiên cứu thực nghiệm.

  4. Tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành: Qua thực nghiệm, hệ thống tích trữ lạnh giúp giảm tải đỉnh và chuyển đổi thời gian vận hành sang giờ thấp điểm, từ đó tiết kiệm chi phí điện năng đáng kể so với vận hành Water Chiller 100% công suất liên tục.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu quả trao đổi nhiệt cao là do thiết kế dàn ống trao đổi nhiệt hợp lý, đảm bảo dòng chảy rối trong ống và diện tích bề mặt trao đổi nhiệt lớn. So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả này tương đồng với các hệ thống tích trữ lạnh sử dụng vật liệu biến đổi pha và nước làm chất tải lạnh, đồng thời phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm tại Việt Nam.

Việc giảm quy mô công suất từ 105.4 kW xuống 20 kW trong thiết kế thực nghiệm là cần thiết do giới hạn về kích thước và khả năng chế tạo. Tuy nhiên, kết quả vẫn đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của hệ thống tích trữ lạnh cho ứng dụng thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ sự thay đổi nhiệt độ chất tải lạnh và chất trữ lạnh theo thời gian, bảng thống kê lưu lượng và vận tốc dòng chảy trong các nhánh ống, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả trao đổi nhiệt và quá trình vận hành hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế dàn ống trao đổi nhiệt: Hành động điều chỉnh khoảng cách giữa các ống và số lượng ống nhằm tăng diện tích trao đổi nhiệt, nâng cao hiệu suất truyền nhiệt. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư thiết kế, thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng.

  2. Ứng dụng vật liệu biến đổi pha mới: Nghiên cứu và thử nghiệm các loại PCM có nhiệt độ nóng chảy phù hợp để tăng khả năng tích trữ năng lượng nhiệt ẩn, giảm thời gian xả tải. Chủ thể là nhóm nghiên cứu vật liệu, thời gian 12 tháng.

  3. Cải tiến quy trình vận hành hệ thống: Xây dựng thuật toán điều khiển tự động để phối hợp hiệu quả giữa giai đoạn nạp và xả tải, giảm tiêu thụ điện năng trong giờ cao điểm. Chủ thể là bộ phận vận hành và phát triển phần mềm, thời gian 9 tháng.

  4. Mở rộng quy mô và ứng dụng thực tế: Triển khai hệ thống tích trữ lạnh quy mô lớn hơn tại các tòa nhà cao tầng và khu công nghiệp, đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường. Chủ thể là các doanh nghiệp và cơ quan quản lý, thời gian 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và nhà thiết kế hệ thống điều hòa không khí: Nắm bắt kiến thức về thiết kế bồn tích trữ lạnh, tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Water Chiller, áp dụng trong các dự án thực tế.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt: Tham khảo phương pháp tính toán, thiết kế và thực nghiệm trong lĩnh vực tích trữ năng lượng lạnh, phát triển nghiên cứu tiếp theo.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và lắp đặt thiết bị HVAC: Áp dụng công nghệ tích trữ lạnh để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí vận hành cho khách hàng.

  4. Cơ quan quản lý năng lượng và môi trường: Đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng và tác động môi trường của công nghệ tích trữ lạnh, xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bồn tích trữ lạnh có vai trò gì trong hệ thống Water Chiller?
    Bồn tích trữ lạnh giúp lưu trữ năng lượng lạnh trong giờ thấp điểm và xả tải trong giờ cao điểm, giảm tải cho hệ thống Water Chiller, tiết kiệm điện năng và chi phí vận hành.

  2. Tại sao sử dụng nước làm chất tải lạnh trong bồn tích trữ?
    Nước có nhiệt dung riêng cao, dễ dàng vận chuyển và thân thiện với môi trường, đồng thời chi phí thấp so với các chất tải lạnh khác.

  3. Vật liệu uPVC có ưu điểm gì khi làm ống trao đổi nhiệt?
    uPVC có chi phí thấp, dễ gia công, khả năng chống ăn mòn tốt và phù hợp với nhiệt độ vận hành trong hệ thống tích trữ lạnh.

  4. Làm thế nào để đảm bảo hiệu quả trao đổi nhiệt trong bồn tích trữ?
    Thiết kế dàn ống hợp lý, đảm bảo dòng chảy rối trong ống, tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt và sử dụng vật liệu có hệ số truyền nhiệt cao.

  5. Công nghệ tích trữ lạnh có thể áp dụng ở đâu ngoài hệ thống điều hòa không khí?
    Ngoài điều hòa không khí, công nghệ này còn ứng dụng trong bảo quản thực phẩm, công nghiệp lạnh và các hệ thống làm mát công nghiệp khác nhằm tiết kiệm năng lượng.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công bồn tích trữ lạnh ứng dụng cho hệ thống Water Chiller công suất 20 kW, với vật liệu uPVC và nước làm chất tải lạnh.
  • Hiệu quả trao đổi nhiệt được duy trì ổn định với độ chênh nhiệt độ từ 3 đến 4 độ C, đảm bảo quá trình nạp và xả tải hiệu quả.
  • Thời gian vận hành thực nghiệm trên 12 giờ cho thấy khả năng tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành hệ thống điều hòa không khí.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ tích trữ lạnh phù hợp với điều kiện khí hậu và kinh tế Việt Nam.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu thiết kế, ứng dụng vật liệu mới và mở rộng quy mô nhằm nâng cao hiệu quả và tính khả thi trong thực tế.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai ứng dụng thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất bồn tích trữ lạnh. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, liên hệ với nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.