Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, nhu cầu tạo ra nhiệt độ thấp phục vụ cho bảo quản thực phẩm, chế biến nông sản, thủy hải sản và các ứng dụng đặc thù như công nghệ sinh học, bảo quản máu, hóa học và dầu khí ngày càng tăng cao. Theo ước tính, các hệ thống lạnh truyền thống gặp nhiều hạn chế khi cần đạt nhiệt độ âm sâu, đặc biệt dưới -40ºC, do áp suất ngưng tụ quá cao hoặc áp suất bay hơi quá thấp, dẫn đến hiệu suất năng lượng thấp và dễ gây hư hỏng thiết bị. Hệ thống lạnh ghép tầng với môi chất CO2/R134a được xem là giải pháp khả thi nhằm khắc phục những nhược điểm này, cho phép vận hành ổn định ở nhiệt độ thấp sâu, đồng thời giảm thiểu tác động môi trường nhờ sử dụng môi chất lạnh thân thiện.

Mục tiêu nghiên cứu là tính toán, thiết kế và vận hành thực nghiệm hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO2/R134a, nhằm xác định các thông số điểm nút, lựa chọn thiết bị phù hợp và đánh giá hiệu quả năng lượng của hệ thống. Nghiên cứu được thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh với điều kiện nhiệt độ môi trường 33ºC, nhiệt độ kho lạnh yêu cầu -25ºC và công suất làm lạnh khoảng 2 kW. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống lạnh công nghiệp hiệu quả, thân thiện môi trường, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng rộng rãi hệ thống lạnh ghép tầng trong thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết môi chất lạnh CO2 (R744): CO2 là môi chất lạnh tự nhiên, không cháy, không độc, có tiềm năng suy giảm tầng ozone (ODP) bằng 0 và hệ số nóng lên toàn cầu (GWP) rất thấp (GWP=1). CO2 có áp suất hơi cao và công suất làm lạnh lớn gấp 3-10 lần so với các môi chất truyền thống. Nhiệt độ tới hạn của CO2 là 31,1ºC, áp suất tới hạn 73,8 bar, đòi hỏi thiết kế hệ thống đặc biệt để vận hành hiệu quả.

  • Lý thuyết môi chất lạnh R134a: R134a thuộc nhóm HFC, không phá hủy tầng ozone (ODP=0), không cháy, không độc hại, được sử dụng rộng rãi thay thế cho CFC và HCFC. R134a có nhiệt độ tới hạn 122ºC và GWP khoảng 1200, có khả năng hút ẩm cao.

  • Mô hình hệ thống lạnh ghép tầng CO2/R134a: Hệ thống gồm hai tầng lạnh độc lập, tầng thấp sử dụng CO2 với nhiệt độ bay hơi thấp, tầng cao sử dụng R134a với nhiệt độ ngưng tụ cao hơn. Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống kết nối nhiệt giữa thiết bị ngưng tụ tầng thấp và thiết bị bay hơi tầng cao, đảm bảo năng suất nhiệt tầng thấp bằng năng suất lạnh tầng cao (Q_0 = Q_k). Hệ thống cho phép vận hành ổn định ở nhiệt độ thấp sâu, giảm áp suất vận hành cực đoan và tăng hiệu suất năng lượng.

  • Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống: Thiết bị có cấu tạo gọn, hiệu suất trao đổi nhiệt cao, sử dụng đối lưu cưỡng bức, giúp truyền nhiệt hiệu quả giữa hai môi chất lạnh khác nhau. Tuy nhiên, thiết bị khó chế tạo, vệ sinh và phát hiện rò rỉ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, bảng tra nhiệt động học của môi chất CO2 và R134a, kết quả thực nghiệm tại phòng thí nghiệm lắp đặt hệ thống lạnh ghép tầng tại TP. Hồ Chí Minh.

  • Phương pháp phân tích: Tính toán lý thuyết các thông số điểm nút chu trình lạnh, lựa chọn thiết bị chính (máy nén, thiết bị trao đổi nhiệt, van tiết lưu) dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật và điều kiện vận hành. Thiết kế và chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống. Vận hành thực nghiệm hệ thống, thu thập dữ liệu áp suất, nhiệt độ, lưu lượng để đánh giá hiệu suất năng lượng và so sánh với kết quả lý thuyết.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 1 năm 2020 đến tháng 1 năm 2021, bao gồm các giai đoạn tổng quan tài liệu, thiết kế tính toán, chế tạo thiết bị, lắp đặt hệ thống và vận hành thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thông số vận hành thực nghiệm của hệ thống lạnh ghép tầng CO2/R134a:

    • Tầng thấp CO2 vận hành ở áp suất ngưng tụ 42 bar, áp suất bay hơi 16,29 bar, nhiệt độ ngưng tụ 7ºC, nhiệt độ bay hơi -32ºC, lưu lượng khối lượng 27 kg/h.
    • Tầng cao R134a vận hành ở áp suất ngưng tụ 11 bar, áp suất bay hơi 3,3 bar, nhiệt độ ngưng tụ 43ºC, nhiệt độ bay hơi 4ºC.
    • Công suất nhiệt tầng thấp thực nghiệm đạt khoảng 2,47 kW, công suất lạnh tầng thấp 2,0 kW, công suất máy nén 550 W.
    • Công suất lạnh tầng cao thực nghiệm khoảng 2,52 kW, công suất máy nén 523 W.

  2. Hiệu suất năng lượng:

    • Hệ số làm lạnh (COP) tầng thấp đạt 5,71.
    • Hệ số làm lạnh tầng cao đạt 6,17.
    • COP tổng thể hệ thống lạnh ghép tầng CO2/R134a đạt 2,64, cao hơn so với các hệ thống lạnh hai cấp truyền thống.

  3. So sánh lý thuyết và thực nghiệm:

    • Nhiệt độ và áp suất thực nghiệm tại các điểm nút chu trình tương đối sát với giá trị lý thuyết, sai số trong khoảng 3-5%.
    • Công suất lạnh và công suất máy nén thực nghiệm phù hợp với tính toán lý thuyết, chứng tỏ mô hình tính toán và thiết kế thiết bị chính xác.

  4. Đặc điểm thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống:

    • Tổng chiều dài ống 15 m, đường kính ống trong 4 mm cho CO2 và 8 mm cho R134a.
    • Thiết bị hoạt động hiệu quả trong việc truyền nhiệt giữa hai môi chất, đảm bảo điều kiện nhiệt động cho hệ thống ghép tầng.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống lạnh ghép tầng CO2/R134a vận hành ổn định, đạt hiệu suất năng lượng cao với COP tổng thể 2,64, vượt trội so với các hệ thống lạnh hai cấp sử dụng môi chất tổng hợp. Nguyên nhân chính là do thiết kế hợp lý của bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống, đảm bảo truyền nhiệt hiệu quả giữa tầng thấp và tầng cao, đồng thời lựa chọn môi chất CO2 có áp suất bay hơi thấp và R134a có nhiệt độ ngưng tụ phù hợp.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này tương đồng với các báo cáo về hiệu suất COP của hệ thống ghép tầng CO2/R134a trong khoảng 2,5-3,0. Việc vận hành ở nhiệt độ môi trường 33ºC và nhiệt độ kho lạnh -25ºC phù hợp với điều kiện thực tế tại TP. Hồ Chí Minh, cho thấy khả năng ứng dụng rộng rãi của hệ thống trong các ngành công nghiệp cần nhiệt độ lạnh sâu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ p-h của môi chất CO2 và R134a, bảng so sánh áp suất, nhiệt độ lý thuyết và thực nghiệm tại các điểm nút, cũng như biểu đồ biến thiên nhiệt độ tại thiết bị trao đổi nhiệt để minh họa hiệu quả truyền nhiệt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống: Nâng cao hiệu suất truyền nhiệt bằng cách cải tiến vật liệu và cấu trúc ống, giảm tổn thất nhiệt, nhằm tăng COP hệ thống lên trên 3 trong vòng 12 tháng tới. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị.

  2. Ứng dụng hệ thống lạnh ghép tầng CO2/R134a trong công nghiệp bảo quản: Khuyến khích các doanh nghiệp chế biến thực phẩm, thủy sản tại các vùng có khí hậu nhiệt đới áp dụng hệ thống để giảm chi phí năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính trong 2 năm tới.

  3. Phát triển hệ thống điều khiển tự động: Triển khai hệ thống điều khiển thông minh để điều chỉnh lưu lượng môi chất và nhiệt độ vận hành, giúp ổn định hiệu suất và giảm thiểu sự cố trong vận hành, dự kiến hoàn thành trong 18 tháng. Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành hệ thống lạnh ghép tầng, đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả và bảo trì đúng quy trình. Thời gian thực hiện: liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán và thiết kế hệ thống lạnh ghép tầng, giúp nâng cao kiến thức chuyên môn và phát triển nghiên cứu sâu hơn.

  2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống lạnh công nghiệp: Tham khảo để áp dụng các giải pháp thiết kế, lựa chọn thiết bị và vận hành hệ thống lạnh ghép tầng hiệu quả, giảm chi phí và tăng tuổi thọ thiết bị.

  3. Doanh nghiệp sản xuất, chế biến thực phẩm và thủy sản: Tìm hiểu về công nghệ làm lạnh sâu thân thiện môi trường, giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm tiêu thụ năng lượng.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng, môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các chính sách khuyến khích sử dụng công nghệ lạnh xanh, giảm phát thải khí nhà kính và thúc đẩy phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống lạnh ghép tầng CO2/R134a có ưu điểm gì so với hệ thống lạnh truyền thống?
    Hệ thống này cho phép đạt nhiệt độ lạnh sâu hơn (-25ºC đến -50ºC), vận hành ổn định với áp suất hợp lý, hiệu suất năng lượng cao (COP khoảng 2,6), đồng thời sử dụng môi chất thân thiện môi trường như CO2 với GWP thấp.

  2. Tại sao chọn CO2 làm môi chất tầng thấp và R134a làm tầng cao?
    CO2 có nhiệt độ đông đặc thấp và áp suất bay hơi cao phù hợp cho tầng lạnh sâu, trong khi R134a có nhiệt độ tới hạn cao, áp suất ngưng tụ thấp phù hợp cho tầng cao, giúp tối ưu hiệu suất và giảm áp suất vận hành.

  3. Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống hoạt động như thế nào trong hệ thống?
    Thiết bị này kết nối nhiệt giữa thiết bị ngưng tụ tầng thấp CO2 và thiết bị bay hơi tầng cao R134a, truyền nhiệt hiệu quả nhờ cấu tạo ống đồng lồng vào nhau, đảm bảo cân bằng nhiệt lượng giữa hai tầng.

  4. Hiệu suất năng lượng của hệ thống được đánh giá như thế nào?
    Hiệu suất được đánh giá qua hệ số làm lạnh COP, với COP tầng thấp đạt 5,71, tầng cao 6,17 và tổng thể hệ thống đạt 2,64, cho thấy hiệu quả năng lượng vượt trội so với hệ thống lạnh hai cấp truyền thống.

  5. Hệ thống có thể ứng dụng ở những lĩnh vực nào?
    Hệ thống phù hợp cho các ngành công nghiệp cần nhiệt độ lạnh sâu như bảo quản thực phẩm đông lạnh, chế biến thủy sản, công nghệ sinh học, bảo quản máu và các ứng dụng công nghiệp khác yêu cầu nhiệt độ âm sâu và hiệu suất cao.

Kết luận

  • Đã thiết kế và vận hành thành công hệ thống lạnh ghép tầng sử dụng môi chất CO2/R134a với công suất làm lạnh khoảng 2 kW, nhiệt độ kho lạnh -25ºC, nhiệt độ môi trường 33ºC.
  • Kết quả thực nghiệm cho thấy các thông số vận hành (áp suất, nhiệt độ, lưu lượng) phù hợp với tính toán lý thuyết, chứng minh tính chính xác của mô hình thiết kế.
  • Hệ số làm lạnh COP tổng thể đạt 2,64, cao hơn nhiều so với các hệ thống lạnh truyền thống, góp phần tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính.
  • Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống hoạt động hiệu quả, đảm bảo truyền nhiệt tốt giữa hai tầng lạnh, là điểm nhấn quan trọng trong thiết kế hệ thống.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa thiết kế, ứng dụng thực tế và đào tạo vận hành nhằm nâng cao hiệu quả và mở rộng phạm vi ứng dụng trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng công nghệ lạnh ghép tầng CO2/R134a, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống điều khiển tự động để nâng cao hiệu suất và độ bền hệ thống.