CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết đề tài Khoa học công nghệ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế và đời sống xã hội. Cùng với sự phát triển của công nghệ, kỹ thuật được xem là nền tản tạo nên bước đà vững chắc ngày càng cải thiện nhu cầu đời sống ở nước ta. Trong những thay đổi đó đã tạo động lực để các nhà nghiên cứu khoa học tập trung giải pháp về tiết kiệm năng lượng cho quốc gia.
Nhiều công nghệ ra đời ứng dụng kỹ thuật cao để đáp lại nhu cầu trong lúc thiếu nguồn năng lượng dữ trữ để sẵn sàng phục vụ đời sống. Từ đó,việc sử dụng tiệt kiệm trong hệ thống điều hòa không khí water chiller được chú trọng nhiều hơn. Với nhu cầu thiết yếu được nêu trên, các nhà nghiên cứu cùng với các chuyên gia năng lượng nước ta không ngừng đưa ra nhiều giải pháp nhằm cải thiện và hạn chế tối đa chi phí lắp và vận hành hệ thống điều hòa không khí Water Chiller kết hợp công nghệ tích trữ lạnh. Gần đây, các dự án nghiên cứu đã tập trung vào hệ thống Water Chiller với mục đích giảm lượng điện năng tiêu thụ.
Đồng thời, kết hợp với nhiều giải pháp nhằm nâng cao công nghệ để cải thiện chi phí sử dụng cho hệ thống chiller kết hợp tích trữ lạnh có hiệu quả hơn. Trong những năm gần đây, công nghệ tích trữ lạnh được nghiên cứu để áp dụng vào hệ thống Water Chiller đã được cải thiện rất nhiều so với trước đây. Bên cạnh đó, mục tiêu cắt giảm chi phí lắp đặt hệ thống và đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng cho đất nước ta trong tương lai. Hiện nay, nhu cầu sử dụng hệ thống điều hòa không khí Water Chiller càng ngày nhiều trong các tòa nhà cao tầng.
Vì thế, để hạn chế chi phí vận hành hệ thống này nên đỏi hỏi cần tập trung nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo bồn tích trữ lạnh cho hệ thống Water Chiller là một hướng nghiên cứu này sẽ tập trung đi sâu hơn đáp lại kỳ vòng của nước ta cho nguồn năng lượng tái tạo. Tổng quan các nghiên cứu liên quan 1. Nghiên cứu ngoài nước Sử dụng bồn tích trữ lạnh kết hợp với phương pháp dùng nước lạnh để tiếp xúc trực tiếp với chất biến đổi pha (PCM), được Viktoria Martin và cộng sự [1] đã nghiên cứu khảo sát việc ứng dụng quá trình thay đổi pha của vật liệu để tích trữ lạnh. Sơ đồ thể hiện cấu tạo như Hình 1.1, đường ống nước lạnh được bố trí bên trên vào bên trong bồn.
Bên trong bồn bố trí lớp chất biến đổi pha đã nóng chảy, kế tiếp là lớp xốp hữa cơ chứa chất biến đổi pha. Nước lạnh cấp vào bồn ta lớp chất biến đổi pha làm cho nhiệt độ của chất thay đổi pha và tích trữ nhiệt, lượng nước sau khi làm biến đổi pha xong sẽ rới xuống dưới đáy bồn và thoát ra ngoài theo ống thoát đã bố trí. Mô hình sử dụng phương pháp tích trữ nhiệt hiện, chất tải lạnh tiếp xúc trực tiếp chất biến đổi pha. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, tích trữ lạnh tại giờ cao điểm với giá điện cao sẽ ảnh hưởng rất lớn đến chi phí, do đó công nghệ này làm giảm thiểu tải đỉnh giờ cao điểm và chuyển sang vận hành giờ thấp điểm.
Đồng thời, quá trình xả băng với lượng lưu trữ băng lớn cũng đảm bảo cho mục đích sử dụng. Ngoài ra, mô hình lý thuyết cho công nghệ này còn tập trung vào các số liệu thiết kế quan trọng để đạt được năng lượng tích trữ và công suất lớn. Đối với những nghiên cứu cùng công suất, tốc độ dòng chảy, nhưng khác nhau về nhiệt độ, và kích thước là những thông số quan trọng được nêu ra trong việc đánh giá của thử nghiệm này. Ngài ra tác giả còn chỉ ra được công suất tích trữ lạnh đạt được từ 30 đến 80 kW/m3.1: Sơ đồ thí nghiệm chất biến đổi pha trong tích trữ lạnh [1] Benjamin và các cộng sự [2] đã giới thiệu một hệ thống tích trữ kết hợp tích trữ băng theo mùa, khối băng được lưu trữ mùa đông nới có nhiệt độ thấp.
Bồn tích trữ lạnh tích trữ dưới dạng khối băng, trong bồn mang nguồn năng lượng lạnh dữ trữ lớn. Vào mùa hè, băng được bảo quản được trích xuất để làm lạnh và sau đó băng tan được sử dụng như một phương tiện làm lạnh để trữ nước trữ lạnh. Trong trường hợp thiếu tải, hệ thống tích trữ sẽ vận hành chiller water bổ sung cho hệ thống. Bài báo đã nêu lên nguyên nhân chưa được thương mại hóa do chi phí kinh tế còn cao.
Ngoài ra, tác giải chi ra được tiềm năng hệ thống tích trữ lạnh làm giảm tải điện vào mùa hè do vận hành xả tải hệ thống tích trữ lạnh theo mùa. Bao và các cộng sự [3] đã nghiên cứu một hệ thống làm lạnh hấp thụ nhiệt. Mangan clorua và amoni clorua đã được sử dụng như là muối nhiệt độ cao và muối nhiệt độ thấp tương ứng và ammoniac đã được sử dụng như phản ứng dạng khí. Kết quả chỉ ra rằng, hiệu quả hoạt động (COP) và năng suất lạnh riêng (SCP) được đánh giá ở nhiệt độ nguồn nhiệt khác nhau (140 đến 170°C) và nhiệt độ làm lạnh (-15 đến 5°C).
Hệ số COP thu được ở các điều kiện này dao động từ 0,20 đến 0,31, trong khi năng suất lạnh riêng (SCP) dao động từ 87 đến 125 W trên mỗi kilogram MnCl. Như vậy, chúng còn tùy thuộc vào công việc, điều kiện và phương pháp sử dụng. 3 Công nghệ tích trữ lạnh kết hợp với chất biến đổi pha mới để ứng dụng trong hệ thống điều hòa không khí. Xiao-Yan Livà cộng sự [4] đã nghiên cứu và khảo sát chất biến đổi pha, tìm ra một chất biến đổi pha mới kết hợp với công nghệ tích trữ lạnh.
Qua viêc khảo sát thực nghiệm bồn tích trữ lạnh có sử dụng loại tích trữ dạng khối cầu, nghiên cứu này đã được tập trung phát triển với mục đích xác định được đặc tính nhiệt động của chúng như mô tả Hình 1. Sau khi vận hành hệ thống lạnh để tích trữ tại bồn số (9), bơm P12 (10) vận chuyển chất tải lạnh vào bồn trữ đã chứa sẵn các khối cầu có sử dụng chất biến đổi pha. Bên cạnh đó, tác giả kết hợp mô phỏng và thực nghiệm quá trình xả băng của bồn tích trữ lạnh để nghiên cứu và áp dụng cho hệ thống điều hòa không khí. Nghiên cứu này đã chỉ ra những ảnh hưởng của nhiệt độ bên trong sự truyền nhiệt của dòng chất lỏng, hệ số Stefan, tỉ lệ lưu lượng truyền nhiệt của chất lỏng, công suất tích trữ lạnh trong tích trữ năng lượng của nhiệt ẩn, nghiên cứu cũng đã chỉ ra các kết quả như sau: (1) Công suất xả tải tăng nhanh hơn khi tốc độ dòng HTF(Heat Transfer Fluid) lớn hơn đầu vào, tốc độ dòng chất lỏng càng tăng dẫn đến hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trao càng lớn sẽ có lợi cho quá trình truyền nhiệt của chất lỏng.
(2) Sử dụng kết quả đo DSC (dissferential scaning calorimeter), chất biến đổi pha mới HS-2 sử dụng trong nghiên cứu này có điểm nóng chảy ở nhiệt độ 8,5 ºC và điểm liên kết ở nhiệt độ 7,4 ºC. (3) Hệ số Stefan cao dẫn đến nhiệt độ đầu vào cao do đó dẫn đến thời gian tan băng sẽ giảm lại. (4) Nhiệt độ chất lỏng truyền nhiệt đầu vào càng cao dẫn đến thời gian xả băng ngắn lại đồng thời hệ số Stefan cao.2: Sơ đồ thực nghiệm hệ thống lạnh [4] 4 Yingming Xie và các cộng sự [5] đã nghiên cứu phương pháp tích trữ bằng năng lượng lạnh. Hệ số truyền nhiệt tổng thể trong quá trình trữ lạnh được tính toán và phân tích dưới các bộ trao đổi nhiệt khác nhau.
Nồng độ natri dodecyl benzen sulfonat (SDS) đã được sử dụng làm phương pháp tăng cường độ hydrat hóa, cộng với nhiệt độ đầu vào làm mát và tốc độ chảy. Kết quả cho thấy rằng, hiệu suất lưu trữ lạnh có thể được cải thiện rất nhiều bằng cách thêm một bộ trao đổi nhiệt. Zhang [6] đã đề cập bốn phương pháp tạo TBS khác nhau của CHS, trên cơ sở đã thông qua thí nghiệm kiểm tra đồng thời kết hợp so sánh, và những phương pháp như sau: làm mát liên tục, tắt tủ lạnh trong khi các tinh thể băng bắt đầu xuất hiện, làm lạnh và thêm TBAB CHS vào TBAB để làm lạnh dung dịch nước. Kết quả thí ngiệm chỉ ra rằng, phương pháp làm lạnh liên tục sẽ dẫn đến sự kết tinh của tinh thể bám trên vách ống của bộ trao đổi nhiệt.
Với phương pháp tích trữ lạnh kết hợp chất biến đổi pha (Phase change material) để cải thiện hiệu quả của hệ thống điều hòa không khí phù hợp.Zhai cùng các cộng sự [7] nghiên cứu nhiệt độ thay đổi pha và mật độ tích trữ lạnh. Theo đó nghiên cứu này được mô tả theo 3 chu trình như sau: với (cycle 1) hệ thống chiller vận hành và nạp tải vào thiết bị; với (cycle 2) chu trình 1 ngừng lại sau khi thiết bị tích trữ đã nạp đủ tải từ chiller water bơm vận chuyển nước lạnh đến hệ thống điều hòa không khí xả tải; với (cycle 3) chiller water sẽ bổ sung tải trong khi thiết bị tích trữ không đủ tải cho hệ thống điều hòa như Hình 1. Nghiên cứu chỉ ra rằng hầu hết các chất biến đổi pha trong hệ thống tích trữ lạnh đều có độ khuyết tán thấp, sự truyền nhiệt đối lưu cung cấp năng lượng cho quá trình tan chảy nhận năng lượng từ quá trình hóa rắn. Các chất ethylene glycol, propylene glycol, polymer đều là các chất có khả năng sử dụng làm chất tích trữ lạnh trong tương lai.
Bên cạnh đó, tác giả đã nêu lên việc nâng cao hiệu quả tích trữ lạnh trong điều kiện không ổn định, nhiệt độ nước lạnh tương đối cao được sản suất bởi hệ thống năng lượng cấp.3: Sơ đồ nghiên cứuhệ thống tích trữ lạnh có chất PCM [7]. Xiwen Cheng và các cộng sự [8] đã nghiên cứu và đề xuất một chất có khả năng thay đổi pha với mục đích để lưu trữ năng lượng ở nhiệt độ thấp (CTES), với phương pháp tích trữ lạnh bằng cách sử dụng nhiều vật liệu biến đổi pha (PCM). Nghiên cứu cũng chỉ ra mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt, bao gồm tỷ lệ tích trữ lạnh, mật độ tích trữ lạnh với số lượng lớn, đồng thời mức độ chính xác của đơn vị CTES đã giảm so với các đơn vị CTES trong cùng một giai đoạn.