Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật mang tiêu đề "Overall Optimization and Performance Analysis of an Air Conditioning System by adopting Series-Series Counter-flow to Central Water Chillers" (tạm dịch: Tối ưu hóa tổng thể và phân tích hiệu năng của hệ thống điều hòa không khí áp dụng phương thức nối tiếp - nối tiếp đối lưu cho các cụm làm lạnh nước trung tâm) do nghiên cứu sinh Nguyen Minh Phu thực hiện tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Trường Sau đại học thuộc Đại học Ulsan (Hàn Quốc), dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Geun Sik Lee, hoàn thành và bảo vệ vào tháng 5 năm 2012. Hội đồng chấm luận án gồm Giáo sư Moo Hyun Kim (Chủ tịch hội đồng), Giáo sư Geun Sik Lee, Giáo sư Sung Pil Won, Giáo sư Mok In Lee và Giáo sư Moo Geun Kim.

Về tính cấp thiết, hệ thống sưởi, thông gió, điều hòa không khí và làm lạnh (HVAC&R) giữ vai trò chi phối mức tiêu thụ năng lượng của các công trình dân dụng và thương mại, đặc biệt tại các quốc gia nhiệt đới nơi năng lượng điện dùng cho điều hòa không khí chiếm hơn 50% tổng năng lượng tiêu thụ của tòa nhà. Trong các hệ thống điều hòa trung tâm giải nhiệt bằng nước, các cụm máy làm lạnh nước (water chiller) thông thường được đấu nối song song (parallel arrangement). Ở cấu hình này, độ nâng nhiệt độ của máy nén (compressor lift) — xác định bằng hiệu số giữa nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi — của tất cả các chiller đều tương đương nhau. Sơ đồ bố trí chiller nối tiếp - nối tiếp đối lưu (series-series counter-flow - SSCF) cho phép dòng nước lạnh lần lượt đi qua các bình bay hơi và dòng nước giải nhiệt đi ngược chiều lần lượt qua các bình ngưng. Cấu hình này giúp giảm độ nâng nhiệt độ của từng máy nén, qua đó giảm công suất tiêu thụ điện của động cơ máy nén.

Tuy nhiên, khoảng trống kỹ thuật cốt lõi nảy sinh là: toàn bộ lưu lượng nước của hệ thống phải tuần hoàn qua từng bình bay hơi và bình ngưng đấu nối tiếp, dẫn đến sụt áp phía nước tăng vọt (sụt áp tỷ lệ thuận với bình phương lưu lượng và công suất bơm tỷ lệ với lũy thừa bậc ba của lưu lượng). Để giảm sụt áp này, giải pháp kỹ thuật là tăng độ chênh nhiệt độ nước vào - ra nhằm hạ lưu lượng tuần hoàn. Khi độ chênh nhiệt độ nước thay đổi và lưu lượng dòng giảm xuống, điều kiện vận hành của dàn lạnh làm mát khử ẩm (cooling coil) và tháp giải nhiệt ướt (cooling tower) sẽ chịu tác động liên đới mạnh mẽ. Luận án giải quyết khoảng trống nghiên cứu này bằng cách thiết lập mô hình toán học tích hợp, mô phỏng và tối ưu hóa đồng thời toàn bộ hệ thống điều hòa không khí SSCF dưới góc độ định luật 1 và định luật 2 nhiệt động học.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được tác giả xác định cụ thể qua 7 nội dung đánh số như sau:

  1. Phân tích ảnh hưởng của cấu trúc bình ngưng và bình bay hơi dạng vỏ - ống đến sụt áp phía nước nhằm khắc phục trở ngại sụt áp cao trong hệ thống chiller SSCF, sử dụng các loại ống trao đổi nhiệt tăng cường thương mại để thu nhỏ diện tích truyền nhiệt và bám sát thiết kế thực tế;
  2. Phân tích định lượng tác động của điều kiện nhiệt độ nước vào cao và lưu lượng nước thấp đến hiệu năng vận hành của tháp giải nhiệt ướt;
  3. Mô hình hóa dàn lạnh làm mát khử ẩm nhằm khảo sát các đặc tính truyền nhiệt, truyền khối và sụt áp không khí dưới các điều kiện ẩm bề mặt khác nhau theo nhiệt độ và lưu lượng nước;
  4. Phân tích ảnh hưởng của các điểm đặt vận hành (nhiệt độ nước, lưu lượng nước) và số lượng chiller đấu nối tiếp đến hiệu năng của toàn bộ hệ thống khi chiller bố trí theo sơ đồ SSCF, thực hiện tối ưu hóa tổng thể dựa trên các mối quan hệ đánh đổi công suất;
  5. Thực hiện phân tích exergy nhằm xác định độ không thuận nghịch (tổn thất exergy) của từng thiết bị thành phần trong hệ thống chiller SSCF;
  6. Tiến hành phân tích so sánh năng lượng và exergy giữa hệ thống sử dụng chiller bố trí song song truyền thống và hệ thống sử dụng chiller SSCF;
  7. Kiểm chứng độ tin cậy của các mô hình toán học thông qua phần mềm chuyên dụng và thực nghiệm đối chứng.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều hòa không khí trung tâm giải nhiệt nước bao gồm cụm chiller SSCF sử dụng môi chất R134a, tháp giải nhiệt ướt đối lưu cưỡng bức kiểu hút (induced draft counter-flow wet cooling tower) và dàn lạnh khử ẩm dạng ống có cánh phẳng liên tục. Phạm vi nghiên cứu về không gian tập trung vào phân tích nhiệt - thủy lực trong phạm vi chu trình làm lạnh trung tâm tại phòng thí nghiệm Entire Energy Harmony, Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Đại học Ulsan; các thông số thiết kế tham chiếu theo tiêu chuẩn ARI và ASHRAE; dữ liệu tính chất nhiệt động của môi chất, nước và không khí ẩm trích xuất từ phần mềm Engineering Equation Solver (EES).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan tài liệu, tác giả điểm lại các nhánh nghiên cứu chính liên quan đến tiết kiệm năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí và thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt:

Ở nhánh giải pháp tiết kiệm năng lượng tổng thể cho hệ thống HVAC, các nghiên cứu trước tập trung vào hệ thống trữ lạnh (cool thermal storage) như công trình của Fang và cộng sự (2009), Erek và Dincer (2008), Zhao và cộng sự (2008), Habeebullah (2007), Cliche và Lacroix (2006), Ismail và cộng sự (2003); hệ thống lạnh hấp thụ hoặc hệ thống nhiệt - điện - lạnh kết hợp (CCHP) sử dụng turbine khí hoặc động cơ gas của Xu và Yang (2009), Sun (2008); ứng dụng năng lượng mặt trời trong điều hòa không khí của Pongtornkulpanich và cộng sự (2008); hoặc giải pháp tiết giảm lượng nước tiêu thụ của tháp giải nhiệt của Al-Bassam và Maheshwari (2011).

Về sơ đồ đấu nối chiller, Wang (2001) và Petchers (2003) mô tả nguyên lý bố trí chiller nối tiếp tổng quát. Phân tích định lượng đầu tiên về sơ đồ SSCF được Groenke và Schwedler (2002) công bố trên hệ thống gồm 2 chiller SSCF, trong đó mỗi chiller có 2 mạch môi chất lạnh riêng biệt tạo ra 4 mức giảm độ nâng nhiệt độ, chứng minh khả năng giảm 14% điện năng tiêu thụ với các điều kiện nhiệt độ nước cố định. Eppelheimer (2003) phân tích định tính về ảnh hưởng của lưu lượng và nhiệt độ nước đến hiệu quả năng lượng của hệ thống SSCF kết hợp cải thiện quạt tháp giải nhiệt và bơm. Đối với hệ thống chiller song song thông thường, các nghiên cứu tối ưu hóa điểm đặt vận hành đã được thực hiện bởi Lu và cộng sự (2004, 2005a, 2005b) và Ma cùng cộng sự.

Đối với thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt vỏ - ống trong cụm chiller, Khalifeh Soltan và cộng sự tối ưu hóa khoảng cách tấm ngăn dòng (baffle spacing) cho bình ngưng kiểu E và J; Serna và Jimenez (2005) đề xuất mô hình rút gọn dựa trên phương pháp Bell-Delaware; Ravagnani và Caballero (2007) thiết kế tối ưu theo tiêu chuẩn TEMA; Allen và Gosselin (2008) ứng dụng giải thuật di truyền (Genetic Algorithms - GA) khảo sát 134 triệu phương án thiết kế bình ngưng; Ponce-Ortega và cộng sự tiếp tục kiểm chứng thuật toán GA cho thiết bị trao đổi nhiệt vỏ - ống. Hầu hết các nghiên cứu trên chỉ khảo sát ống trơn và môi chất đơn pha, đồng thời xét riêng rẽ bình ngưng hoặc bình bay hơi mà không tích hợp hai thiết bị trong cùng một chu trình chiller hoàn chỉnh.

Đối với tháp giải nhiệt ướt, Rubio-Castro và cộng sự (2010), Kim và cộng sự, Söylemez (2001), Cortinovis và cộng sự nghiên cứu tối ưu hóa chi phí đầu tư và chi phí vận hành mạng lưới tháp giải nhiệt. Muangnoi và cộng sự (2007, 2008) phân tích exergy dọc theo chiều cao tháp và khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm, nhiệt độ không khí vào. Serna-González và cộng sự (2010) mô hình hóa toán học tháp giải nhiệt theo lý thuyết Merkel kết hợp bộ tối ưu hóa DICOPT (Discrete and Continuous OPTimizer).

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết là sự thiếu vắng một nghiên cứu tích hợp toàn diện: kết hợp thiết kế cụm chiller sử dụng ống tăng cường thương mại (tính toán đồng thời cả bình ngưng và bình bay hơi trong chu trình lạnh R134a hoàn chỉnh), mô hình hóa chi tiết tháp giải nhiệt ướt và dàn lạnh khử ẩm dưới sự chi phối của lưu lượng thấp - nhiệt độ cao, từ đó xây dựng thuật toán tối ưu hóa tổng thể và phân tích exergy toàn hệ thống điều hòa không khí SSCF.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp phương pháp mô hình hóa lý thuyết nhiệt động học, mô phỏng số trên máy tính và đo đạc thực nghiệm:

Về cơ sở lý thuyết truyền nhiệt và nhiệt động học:

  • Mô hình cụm chiller: Sử dụng phương pháp hiệu số nhiệt độ trung bình logarit (Logarithmic Mean Temperature Difference - LMTD). Chu trình lạnh bỏ qua hiện tượng bám bẩn (fouling) và sụt áp của môi chất; trạng thái môi chất vào máy nén là hơi bão hòa khô, vào van tiết lưu là lỏng bão hòa. Hiệu suất đoạn nhiệt của máy nén được tính theo phương trình của Steven Brown và cộng sự: $$\eta = 0.874 - 0.0135\left(\frac{p_c}{p_e}\right) - 0.04478\left(\frac{p_e}{p_c}\right)$$ với $p_c$ và $p_e$ lần lượt là áp suất ngưng tụ và áp suất bay hơi. Hệ số truyền nhiệt phía nước trong ống tính theo tương quan Gnielinski (áp dụng cho dải $2100 < Re_w < 10^6$ và $0.6 < Pr_w < 2000$). Hệ số ma sát Darcy $f$ tính theo công thức $f = (0.790 \ln Re_w - 1.64)^{-2}$. Hệ số ngưng tụ màng bên ngoài chùm ống cánh thấp tính theo tương quan Beatty - Katz kèm hệ số hiệu chỉnh số hàng ống $N_r^{-0.08}$ của Cavallini và cộng sự. Hệ số truyền nhiệt sôi ngập phía vỏ trên bề mặt ống tăng cường Turbo-B (Wolverine, Inc.) dùng tương quan thực nghiệm: $h_{out} = 0.2706 , q_{out}^{0.855}$ với $q_{out}$ là mật độ dòng nhiệt. Sụt áp phía nước gồm sụt áp ma sát dọc ống, sụt áp tại đầu đổi hướng và sụt áp qua vòi phun (nozzle) theo các tương quan trình bày trong tài liệu của Serth (2007).
  • Mô hình tháp giải nhiệt ướt: Áp dụng lý thuyết Merkel kết hợp các tương quan thực nghiệm tính toán truyền nhiệt, truyền khối và trở lực khí động qua khối đệm (fill) dạng dòng đối lưu, xác định chỉ số Merkel ($Me$), lưu lượng không khí khô và công suất quạt tháp giải nhiệt.
  • Mô hình dàn lạnh khử ẩm: Dựa trên phương pháp thế enthalpy (enthalpy potential method) và các tương quan của McQuiston đối với dàn ống có cánh phẳng liên tục (continuous plate fin). Luận án đề xuất một mô hình nội suy tuyến tính mới để xác định hệ số ma sát và sụt áp không khí trong vùng bề mặt ướt một phần (partially wet condition) kết nối giữa vùng khô hoàn toàn (fully dry) và vùng ướt hoàn toàn (fully wet).
  • Phân tích Exergy: Ứng dụng định luật 2 nhiệt động học để thiết lập phương trình cân bằng exergy cho từng thiết bị thành phần (máy nén, bình ngưng, van tiết lưu, bình bay hơi, bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt, quạt tháp giải nhiệt, tháp giải nhiệt và dàn lạnh), tính toán độ không thuận nghịch $I = T_0 S_{gen}$ và hiệu suất exergy của toàn hệ thống.

Về công cụ tính toán và thẩm định:

  • Chương trình tính toán và thuật toán tìm kiếm tối ưu được lập trình hoàn toàn bằng ngôn ngữ Matlab R2008a. Các thông số nhiệt vật lý của nước, không khí ẩm và môi chất lạnh R134a được liên kết tính toán tự động qua thư viện phần mềm EES (Engineering Equation Solver).
  • Kiểm chứng mô hình bình ngưng và bình bay hơi bằng phần mềm chuyên dụng HTRI Xchanger Suite v5.0 (sử dụng các phân hệ Xist tính thiết bị vỏ - ống và gói nhiệt động VMG Thermo).
  • Kiểm chứng mô hình tháp giải nhiệt thông qua so sánh với kết quả tối ưu hóa bằng bộ giải DICOPT trong nghiên cứu của Serna-González và cộng sự.
  • Thiết lập hệ thống thực nghiệm độc lập tại phòng thí nghiệm để kiểm chứng mô hình dàn lạnh khử ẩm: bố trí đường hầm gió hoàn chỉnh với thiết bị đo gồm các cảm biến chênh áp (differential pressure transducers), đồng hồ đo lưu lượng từ tính (magnetic flow meter), động cơ khuấy (stirrer motor), bộ thu nhận dữ liệu (data logger), cảm biến nhiệt độ và độ ẩm tương đối.

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương này trình bày bối cảnh lịch sử phát triển của ngành điều hòa không khí từ các nghiên cứu của Carrier vào đầu thế kỷ 20, phân tích thực trạng tiêu thụ năng lượng điện lớn trong các tòa nhà thương mại sau Thế chiến II. Tác giả chỉ rõ sự khác biệt bản chất giữa sơ đồ đấu nối chiller song song truyền thống và sơ đồ nối tiếp - nối tiếp đối lưu (SSCF). Trên sơ đồ SSCF, nước lạnh chảy tuần tự qua chiller 1 rồi chiller 2; ngược lại, nước làm mát bình ngưng chảy tuần tự qua chiller 2 rồi chiller 1. Cơ chế này phân bổ lại nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi, giúp hạ thấp độ nâng nhiệt độ của máy nén ở cả hai cấp, dẫn đến suy giảm công suất tiêu thụ của máy nén. Tuy nhiên, do toàn bộ lưu lượng nước của hệ thống phải chảy qua các bình bay hơi và bình ngưng đấu nối tiếp, tổn thất áp suất thủy lực phía nước gia tăng nghiêm trọng. Chương 1 xác lập tính cấp thiết của việc nghiên cứu bài toán đánh đổi giữa điện năng máy nén và điện năng bơm nước, đặt ra 7 mục tiêu nghiên cứu và định hình bố cục toàn bộ luận án.

Chapter 2: Analysis and design of a water chiller using commercial enhanced tubes

Chương 2 tập trung xây dựng mô hình truyền nhiệt và sụt áp thủy lực cho bình ngưng và bình bay hơi kiểu vỏ - ống có sử dụng ống tăng cường thương mại, nhằm định lượng chính xác sụt áp phía nước phục vụ mô phỏng hệ thống ở Chương 5.

Các thông số thiết kế danh định của chiller gồm: công suất lạnh $Q_{Evap} = 3000\text{ kW}$; nhiệt độ ngưng tụ $40^\circ\text{C}$; nhiệt độ bay hơi $2^\circ\text{C}$; nhiệt độ nước vào và ra bình ngưng lần lượt là $30^\circ\text{C}$ và $35^\circ\text{C}$; nhiệt độ nước vào và ra bình bay hơi lần lượt là $12^\circ\text{C}$ và $7^\circ\text{C}$.

Bình ngưng sử dụng ống cánh thấp Trufin của hãng High Performance Tube, Inc. (đường kính ngoài $19.05\text{ mm}$, mật độ cánh từ 19 đến 40 cánh/inch). Bình bay hơi sử dụng ống tăng cường sôi Turbo-B của hãng Wolverine, Inc. ($D_{out} = 19.05\text{ mm}$, $D_{in} = 16.37\text{ mm}$, 40 cánh/inch, chiều cao cánh $0.61\text{ mm}$). Đường kính ống vòi phun được chọn là 16.88 inch cho bình ngưng và 15 inch cho bình bay hơi.

Kết quả mô phỏng cho thấy số pass ($n_{tp}$) có ảnh hưởng quyết định đến sụt áp: cấu hình 1 pass ($n_{tp} = 1$) cho tổn thất áp suất thấp nhất và bảo đảm không vượt quá giới hạn cho phép $70\text{ kPa}$ theo khuyến nghị của Muralikrishna và Shenoy (2000). Luận án phát hiện một quy luật quan trọng về đường kính ống: khi tổng số lượng ống lớn hơn một ngưỡng xác định (cụ thể với bình ngưng công suất $3412.4\text{ kW}$, khi số ống vượt quá 630 ống), việc sử dụng ống có đường kính nhỏ ($10.08\text{ mm}$) sẽ cho chiều dài ống ngắn hơn so với việc dùng ống đường kính lớn. Hiện tượng này được lý giải thông qua phân tích nhiệt trở: khi số lượng ống lớn, vận tốc nước giảm làm nhiệt trở truyền nhiệt đối lưu phía trong ống ($1/h_{in}A_{in}$) tăng vọt đối với ống đường kính lớn. Đối với cùng 900 ống, diện tích mặt trong yêu cầu của ống đường kính lớn cao gấp 2.3 lần so với ống đường kính nhỏ, làm tăng chi phí chế tạo kim loại và kích thước vỏ bình.

Độ chính xác của mô hình được đối chứng chi tiết với phần mềm công nghiệp HTRI Xchanger Suite v5.0 như tổng hợp ở bảng sau:

Thiết bị Thông số kiểm chứng Kết quả tính toán của luận án Kết quả từ phần mềm HTRI Sai số tương đối (%)
Bình ngưng ($n_t = 919, n_{tp} = 1, L_t = 3.65\text{ m}$) Công suất nhiệt ($Q_{Cond}$) $3412.3\text{ kW}$ $3412.4\text{ kW}$ $\approx 0.00%$
Sụt áp phía nước ($\Delta p_w$) $4.023\text{ kPa}$ $4.190\text{ kPa}$ $4.00%$
Bình bay hơi ($n_t = 817, n_{tp} = 1, L_t = 3.86\text{ m}$) Công suất lạnh ($Q_{Evap}$) $3000.0\text{ kW}$ $2998.06\text{ kW}$ $0.06%$
Sụt áp phía nước ($\Delta p_w$) $4.200\text{ kPa}$ $4.380\text{ kPa}$ $4.10%$

Sai số giữa mô hình tự lập trình và phần mềm thương mại HTRI đều nằm dưới ngưỡng 5%, xác thực độ tin cậy của thuật toán thiết kế.

Chapter 3: Effect of water temperature and water flow rate on wet cooling tower

Chương 3 khảo sát định lượng ảnh hưởng của chế độ nhiệt độ nước vào cao và lưu lượng nước thấp đến hoạt động của tháp giải nhiệt ướt đối lưu cưỡng bức kiểu hút. Mô hình toán học triển khai tích phân phương trình vi phân Merkel kết hợp các biểu thức thực nghiệm xác định hệ số tổn thất áp suất và đặc tính truyền khối của khối đệm. Mô hình được thẩm định thông qua so sánh độ chuẩn xác với các ví dụ tính toán tối ưu hóa chi phí hàng năm (TAC), chỉ số Merkel ($Me$) và hệ số chuyển khối khối đệm ($K_{fi}$) của Serna-González và cộng sự (2010).

Kết quả nghiên cứu chỉ ra một phát hiện vật lý quan trọng: nhận định truyền thống cho rằng nhiệt độ nước vào tháp càng cao và lưu lượng nước càng thấp thì điện năng tiêu thụ của quạt tháp luôn càng nhỏ là chưa hoàn chỉnh. Khi nhiệt độ nước vào tháp tăng lên ở một mức phụ tải nhiệt $Q$ cố định, lưu lượng không khí khô yêu cầu có xu hướng giảm, nhưng chiều cao khối đệm ($L_{fi}$) bắt buộc phải tăng lên nhằm kéo dài thời gian tiếp xúc giữa pha nước nóng và pha không khí. Sự đánh đổi giữa lưu lượng gió giảm và trở lực khối đệm tăng dẫn đến việc công suất tiêu thụ điện của quạt tháp giải nhiệt đạt giá trị cực đại tại nhiệt độ nước vào đúng $T_{w,in} = 36^\circ\text{C}$, và giá trị cực trị này độc lập với phụ tải nhiệt của tháp. Do đó, để đạt hiệu quả tiết kiệm điện năng cho quạt, điểm đặt nhiệt độ nước vào tháp cần được điều khiển vận hành ở vùng thấp hơn hẳn hoặc cao hơn hẳn ngưỡng $36^\circ\text{C}$.

Chapter 4: Experimental and modeling studies of a dehumidifying cooling coil

Chương 4 kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để làm rõ quy luật sụt áp và truyền nhiệt của dàn lạnh làm mát khử ẩm kiểu cánh phẳng liên tục.

Về mặt lý thuyết, phương pháp thế enthalpy kết hợp các tương quan của McQuiston được sử dụng để tính toán hệ số truyền nhiệt và trở lực khí động. Tác giả phát hiện rằng các công thức của McQuiston dự báo rất chuẩn xác sụt áp không khí trong hai trạng thái giới hạn: bề mặt hoàn toàn khô (fully dry) và bề mặt hoàn toàn ướt đẫm nước ngưng (fully wet). Tuy nhiên, trong thực tế vận hành điều hòa không khí, dàn lạnh thường xuyên làm việc ở trạng thái ướt một phần (partially wet) — nghĩa là phần đầu dàn lạnh khô và chỉ xuất hiện màng nước ngưng ở các hàng ống phía sau khi nhiệt độ bề mặt cánh giảm xuống dưới nhiệt độ điểm sương của không khí.

Để khắc phục thiếu sót này, tác giả đề xuất một phương trình tương quan nội suy tuyến tính giữa vùng khô hoàn toàn và ướt hoàn toàn để mô tả hệ số ma sát và sụt áp không khí trong điều kiện ướt một phần. Mô hình đề xuất được kiểm chứng bằng thực nghiệm trên hệ thống đo đạc với các dải vận tốc gió mặt trước ($v_a$ từ 1 đến 4 m/s), lưu lượng nước và nhiệt độ nước vào khác nhau. Kết quả đo đạc thực nghiệm xác nhận đường cong sụt áp không khí thực tế bám sát dự báo của mô hình nội suy tuyến tính, cung cấp công cụ tính toán chính xác tổn thất áp suất và điện năng quạt AHU cho Chương 5.

Chapter 5: Overall optimization and exergy analysis of the air-conditioning system with series-series counter-flow chillers

Chương 5 là chương tích hợp quan trọng nhất của luận án, kết nối các mô hình thành phần từ các chương trước để mô phỏng và tối ưu hóa toàn diện hệ thống điều hòa không khí SSCF.

Mô hình thiết lập 4 thông số độc lập then chốt: nhiệt độ nước lạnh cấp vào dàn lạnh ($T_{w1}$), nhiệt độ nước giải nhiệt rời tháp vào bình ngưng ($T_{w3}$), lưu lượng nước giải nhiệt bình ngưng và số lượng chiller đấu nối tiếp ($n_{chillers}$). Thuật toán tìm kiếm tối ưu hóa toàn cục được xây dựng để xác định hệ số hiệu quả năng lượng COP cực đại của toàn hệ thống.

Kết quả mô phỏng và tối ưu hóa mang lại các phát hiện cốt lõi:

  1. Khi vận hành ở cùng các thông số điểm đặt của hệ thống chiller song song thông thường, hệ số COP của hệ thống SSCF đạt giá trị cực đại ở một số lượng chiller xác định; khi số lượng chiller ghép nối tiếp vượt quá 4 ($n_{chillers} > 4$), hệ thống SSCF trở nên kém hiệu quả hơn sơ đồ song song do sự gia tăng áp đảo của công suất bơm thủy lực;
  2. Sau khi tiến hành tối ưu hóa đồng thời các điểm đặt vận hành ($T_{w1}, T_{w3}$, lưu lượng nước ngưng), hệ số COP toàn hệ thống của cấu hình SSCF có thể tăng cao hơn tới 26% so với hệ thống chiller song song truyền thống; giá trị COP tối ưu có xu hướng giảm dần khi tăng số lượng chiller ghép nối tiếp;
  3. Phân tích Exergy (định luật 2) khẳng định tính ưu việt nhiệt động học của hệ thống SSCF: hiệu suất exergy tổng thể của hệ thống SSCF đạt 83%, vượt trội so với mức 77% của hệ thống chiller song song truyền thống. Độ không thuận nghịch (tổn thất exergy) của các thiết bị trong cụm chiller SSCF giảm rõ rệt so với sơ đồ song song; độ không thuận nghịch tại tháp giải nhiệt giảm nhẹ, trong khi độ không thuận nghịch tại dàn lạnh tăng nhẹ.

Chapter 6: Discussion, conclusions, and future work

Chương cuối cùng tổng kết các kết quả đạt được, thảo luận về khả năng ứng dụng thực tế của sơ đồ SSCF và đề xuất các phương hướng nghiên cứu hoàn thiện trong tương lai.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án mang lại các đóng góp mới cụ thể về mặt khoa học lý luận và kỹ thuật thực tiễn:

Về mặt lý luận:

  • Thiết lập thành công mô hình toán học tích hợp hoàn chỉnh hệ thống điều hòa không khí trung tâm sử dụng cụm chiller đấu nối theo sơ đồ nối tiếp - nối tiếp đối lưu (SSCF), gắn kết tương tác nhiệt động giữa chiller, tháp giải nhiệt và dàn lạnh;
  • Phát hiện quy luật biến thiên công suất quạt tháp giải nhiệt theo nhiệt độ nước vào, chỉ ra điểm cực đại công suất quạt tại giá trị nhiệt độ nước vào tháp $T_{w,in} = 36^\circ\text{C}$ độc lập với phụ tải nhiệt;
  • Bổ sung mô hình tương quan tuyến tính tính toán sụt áp không khí qua dàn lạnh khử ẩm trong điều kiện bề mặt ướt một phần, lấp đầy khoảng trống của các tương quan McQuiston kinh điển;
  • Cung cấp bức tranh phân tích định lượng định luật 2 nhiệt động học, chứng minh hiệu suất exergy của cấu hình SSCF đạt 83% (so với 77% của hệ thống song song) và làm rõ cơ chế suy giảm độ không thuận nghịch trong các thành phần của chu trình lạnh.

Về mặt thực tiễn và giải pháp kiến nghị:

  • Xây dựng bản đồ thiết kế (design-map) cho thiết bị trao đổi nhiệt vỏ - ống sử dụng ống tăng cường thương mại (Trufin low-fin và Turbo-B), chỉ ra nguyên tắc giới hạn đường kính ống trong ở mức $10.08\text{ mm}$ khi số lượng ống vượt quá 630 ống nhằm tối ưu hóa diện tích truyền nhiệt và chi phí kim loại chế tạo;
  • Xác lập khuyến nghị thực tế về cấu hình hệ thống: chỉ nên áp dụng sơ đồ SSCF với số lượng chiller ghép nối tiếp từ 2 đến tối đa 4 cụm máy ($n_{chillers} \le 4$); việc ghép nối từ 5 cụm máy trở lên sẽ gây phản tác dụng do sụt áp thủy lực quá lớn;
  • Cung cấp tập thông số vận hành tối ưu tổng thể ($T_{w1}, T_{w3}$, lưu lượng nước giải nhiệt), cho phép các nhà thiết kế và vận hành hệ thống nâng cao hệ số COP toàn hệ thống lên tới 26% so với sơ đồ song song thông thường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về hạn chế nghiên cứu, luận án nêu rõ các giả định kỹ thuật đã áp dụng trong quá trình xây dựng mô hình:

  • Bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt trở bám bẩn (fouling resistance) theo thời gian trong các ống truyền nhiệt của bình ngưng và bình bay hơi;
  • Bỏ qua tổn thất áp suất của môi chất lạnh R134a trong quá trình chuyển pha ở bình ngưng và bình bay hơi;
  • Quá trình khử quá nhiệt (desuperheat) của hơi môi chất được giả định xử lý riêng biệt hoặc tận dụng thu hồi nhiệt, mô hình bình ngưng chỉ tập trung vào giai đoạn ngưng tụ chuyển pha;
  • Trạng thái môi chất tại cửa vào máy nén được giả định là hơi bão hòa khô và tại cửa vào van tiết lưu là lỏng bão hòa;
  • Phụ tải làm lạnh và điều kiện khí hậu ngoài trời được ấn định tại các điều kiện tính toán danh định, chưa mô phỏng động liên tục theo chu kỳ thời tiết 8760 giờ trong năm.

Về hướng nghiên cứu tiếp, luận án đề xuất:

  • Mở rộng phân tích đánh giá chi phí vòng đời (Life Cycle Cost - LCC) có tính đến chi phí đầu tư thiết bị ban đầu và chi phí bảo trì thực tế;
  • Nghiên cứu cơ chế tích tụ cặn bẩn thực tế trong ống tăng cường thương mại và ảnh hưởng lâu dài đến sụt áp thủy lực;
  • Khảo sát đáp ứng động của hệ thống chiller SSCF dưới điều kiện phụ tải biến đổi liên tục và phát triển chiến lược điều khiển tối ưu hóa thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Các kỹ sư thiết kế hệ thống HVAC&R: có thể ứng dụng trực tiếp phương pháp thiết kế bình ngưng và bình bay hơi dùng ống tăng cường thương mại (Chương 2), tham chiếu ngưỡng giới hạn sụt áp $70\text{ kPa}$ và quy tắc chọn cỡ ống $10.08\text{ mm}$ để tối ưu hóa kích thước vỏ bình và chi phí vật liệu;
  • Cán bộ quản lý vận hành tòa nhà: có thể tham khảo tập thông số điểm đặt nhiệt độ nước vào - ra tháp giải nhiệt và dàn lạnh tại Chương 5 để cài đặt hệ thống điều khiển trung tâm, tránh vận hành nước vào tháp giải nhiệt tại vùng $36^\circ\text{C}$ nhằm tiết kiệm điện năng cho quạt;
  • Nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt - Năng lượng: Chương 4 cung cấp chi tiết quy trình thực nghiệm đo kiểm dàn lạnh và phương pháp mô hình hóa vùng ướt một phần; Chương 5 cung cấp khung phương pháp luận kết hợp định luật 1 và định luật 2 (exergy) để đánh giá các chu trình nhiệt động phức hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. Sơ đồ chiller mắc nối tiếp - nối tiếp đối lưu (SSCF) mang lại ưu điểm và nhược điểm kỹ thuật cốt lõi nào so với sơ đồ song song?
Ưu điểm của sơ đồ SSCF là làm giảm độ nâng nhiệt độ của máy nén (hiệu số nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi) ở từng chiller, do nước lạnh lần lượt đi qua các bình bay hơi và nước giải nhiệt đi ngược chiều qua các bình ngưng, giúp giảm điện năng tiêu thụ của máy nén. Nhược điểm là toàn bộ lưu lượng nước hệ thống phải đi tuần tự qua từng chiller, khiến tổn thất áp suất thủy lực phía nước tăng vọt, làm gia tăng đáng kể điện năng tiêu thụ của bơm nước lạnh và bơm nước giải nhiệt.

2. Tại sao đối với bình ngưng có số lượng ống lớn (trên 630 ống), việc chọn ống đường kính nhỏ lại giúp giảm chiều dài ống và chi phí chế tạo?
Khi số lượng ống lớn, lưu lượng nước chia đều cho từng ống giảm làm vận tốc dòng chảy suy giảm, dẫn đến nhiệt trở đối lưu bên trong ống tăng mạnh nếu sử dụng ống đường kính lớn. Việc dùng ống đường kính nhỏ ($10.08\text{ mm}$) giúp duy trì vận tốc dòng và giảm nhiệt trở bên trong ống, nhờ đó rút ngắn chiều dài ống yêu cầu. Ngược lại, nếu dùng ống đường kính lớn khi số lượng ống nhiều, diện tích bề mặt yêu cầu cao hơn tới 2.3 lần, làm tăng đường kính vỏ bình ngưng và đẩy chi phí vật tư lên cao.

3. Nhiệt độ nước vào tháp giải nhiệt ảnh hưởng như thế nào đến công suất tiêu thụ của quạt tháp?
Nghiên cứu chỉ ra rằng công suất quạt tháp giải nhiệt đạt giá trị cực đại khi nhiệt độ nước vào tháp đúng bằng $36^\circ\text{C}$ (không phụ thuộc vào phụ tải nhiệt). Nguyên nhân do sự đánh đổi: khi nhiệt độ nước vào tăng, lưu lượng gió khô yêu cầu giảm nhưng chiều cao khối đệm lại phải tăng lên để bảo đảm thời gian tiếp xúc giữa nước và không khí. Do đó, điểm đặt nhiệt độ nước vào tháp cần tránh mốc $36^\circ\text{C}$ (phải cao hơn hẳn hoặc thấp hơn hẳn) để giảm tiêu thụ điện quạt.

4. Mô hình dàn lạnh khử ẩm của McQuiston gặp hạn chế gì và tác giả đã khắc phục bằng giải pháp nào?
Tương quan của McQuiston dự báo rất chuẩn xác trở lực khí động ở hai trạng thái biên là bề mặt hoàn toàn khô và hoàn toàn ướt, nhưng không phản ánh chính xác trạng thái bề mặt ướt một phần (vốn rất phổ biến trong vận hành thực tế). Tác giả đã đề xuất một mô hình tương quan nội suy tuyến tính giữa hệ số ma sát vùng khô hoàn toàn và vùng ướt hoàn toàn, và mô hình này đã được kiểm chứng trùng khớp với số liệu đo đạc thực nghiệm.

5. Cấu hình chiller SSCF đạt hiệu quả năng lượng tối ưu ở quy mô nào và cải thiện được bao nhiêu hiệu suất so với sơ đồ song song?
Cấu hình SSCF đạt hiệu quả tốt nhất khi số lượng chiller ghép nối tiếp từ 2 đến tối đa 4 cụm máy ($n_{chillers} \le 4$); vượt quá 4 chiller, hệ thống sẽ kém hiệu quả do tổn thất áp suất bơm nước vượt trội lợi ích giảm tải máy nén. Khi được tối ưu hóa các điểm đặt vận hành, hệ thống SSCF có thể nâng cao hệ số COP toàn hệ thống lên tới 26% và nâng hiệu suất exergy lên 83% (so với 77% của hệ thống song song truyền thống).

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyen Minh Phu đã giải quyết trọn vẹn bài toán tối ưu hóa tổng thể hệ thống điều hòa không khí trung tâm sử dụng sơ đồ chiller nối tiếp - nối tiếp đối lưu (SSCF). Bằng việc tích hợp các mô hình thành phần có độ chính xác cao về cụm chiller ống tăng cường, tháp giải nhiệt ướt và dàn lạnh khử ẩm, tác giả đã làm rõ các mối quan hệ đánh đổi nhiệt - thủy lực cốt lõi giữa máy nén, bơm nước và quạt gió. Kết quả nghiên cứu chứng minh cấu hình SSCF tối ưu (với số lượng chiller không quá 4) có khả năng nâng cao hệ số COP toàn hệ thống thêm 26% và đạt hiệu suất exergy 83%, mang lại những đóng góp khoa học và dữ liệu thiết kế có độ tin cậy cao cho lĩnh vực kỹ thuật nhiệt - lạnh.