Tổng quan luận án

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

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Hệ thống sưởi, thông gió, điều hòa không khí và làm lạnh (HVAC&R) tiêu thụ lượng điện năng rất lớn trong các công trình thương mại và dân dụng, đặc biệt tại các quốc gia nhiệt đới, nơi điện năng cho điều hòa không khí chiếm hơn 50% tổng năng lượng tiêu thụ của tòa nhà. Thông thường, các máy làm lạnh nước trung tâm (water chillers) trong hệ thống điều hòa không khí được lắp đặt theo sơ đồ song song (parallel arrangement), trong đó độ nâng nhiệt độ nén (compressor lift - hiệu số giữa nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi) của các máy làm lạnh là như nhau.

Khi các chiller được bố trí theo phương thức nối tiếp - nối tiếp đối lưu (Series-Series Counter-flow - SSCF), dòng nước lạnh tuần hoàn lần lượt qua các bình bay hơi và dòng nước giải nhiệt tuần hoàn ngược chiều qua các bình ngưng. Cấu hình này làm giảm độ nâng nhiệt độ nén của từng máy làm lạnh, từ đó làm giảm công suất tiêu thụ điện của máy nén. Tuy nhiên, nhược điểm cố hữu của cấu hình SSCF là tổn thất áp suất phía nước tăng cao đột biến do lưu lượng nước qua mỗi bình bay hơi và bình ngưng bằng toàn bộ lưu lượng nước của hệ thống, kéo theo sự gia tăng công suất tiêu thụ của các bơm nước lạnh và bơm nước giải nhiệt. Để khắc phục trở ngại này, giải pháp kỹ thuật được đặt ra là tăng độ chênh nhiệt độ của dòng nước qua bình bay hơi và bình ngưng để giảm lưu lượng nước. Dù vậy, việc vận hành ở độ chênh nhiệt độ cao và lưu lượng nước thấp lại ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất truyền nhiệt, truyền khối và tổn thất áp suất của dàn lạnh (cooling coil) và tháp giải nhiệt ướt (cooling tower). Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là cần phải mô hình hóa, mô phỏng và tối ưu hóa đồng thời toàn bộ hệ thống điều hòa không khí trung tâm tích hợp các chiller SSCF, tháp giải nhiệt và dàn lạnh theo cả Định luật 1 và Định luật 2 Nhiệt động lực học.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 7 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Phân tích ảnh hưởng của cấu trúc bình ngưng và bình bay hơi dạng ống vỏ (shell-and-tube) đến tổn thất áp suất phía nước nhằm khắc phục nhược điểm tổn thất áp suất cao trong các chiller SSCF. Sử dụng các bề mặt ống tăng cường thương mại (commercial enhanced tubes) nhằm thu nhỏ diện tích truyền nhiệt và bám sát điều kiện thiết kế thực tế.
  2. Phân tích định lượng tác động của điều kiện nhiệt độ nước cao và lưu lượng nước thấp đến hiệu suất làm việc của tháp giải nhiệt ướt.
  3. Mô hình hóa dàn lạnh để khảo sát đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất không khí dưới các điều kiện độ ẩm khác nhau của bề mặt cánh (khô hoàn toàn, ướt một phần, ướt hoàn toàn) theo nhiệt độ và lưu lượng nước.
  4. Phân tích ảnh hưởng của các điểm cài đặt vận hành (set-points) và số lượng chiller đến hiệu suất toàn hệ thống khi bố trí chiller theo cấu hình SSCF; thực hiện tối ưu hóa tổng thể để giải quyết sự đánh đổi công suất tiêu thụ giữa các thiết bị.
  5. Phân tích exergy nhằm chỉ ra tính bất thuận nghịch (irreversibility) của từng thiết bị thành phần trong hệ thống chiller SSCF.
  6. Thực hiện phân tích năng lượng và exergy đối với cả hệ thống chiller song song và hệ thống chiller SSCF để so sánh kết quả.
  7. Kiểm chứng độ tin cậy của các mô hình toán học đã thiết lập bằng dữ liệu thực nghiệm và phần mềm chuyên dụng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều hòa không khí trung tâm giải nhiệt bằng nước, bao gồm cụm chiller giải nhiệt nước sử dụng môi chất lạnh R134a, bình ngưng và bình bay hơi ống chùm dùng ống tăng cường, tháp giải nhiệt ướt kiểu hút cưỡng bức (induced draft counter-flow wet cooling tower), dàn lạnh khử ẩm có cánh phẳng liên tục (continuous plate fin dehumidifying cooling coil), hệ thống bơm nước và quạt gió.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tải lạnh của hệ thống (công suất lạnh bình bay hơi 3000 kW, công suất nhiệt bình ngưng 3412,4 kW đối với một chiller đơn lẻ) và điều kiện thời tiết ngoài trời được giả định định trước. Các chương trình tính toán được lập trình trên phần mềm Matlab R2008a, kết hợp phần mềm Engineering Equation Solver (EES) để trích xuất tính chất nhiệt động lực học của nước, không khí ẩm và môi chất R134a. Các thông số thiết kế tham chiếu theo tiêu chuẩn ASHRAE và tiêu chuẩn ARI.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan tài liệu, luận án đã tổng hợp các hướng nghiên cứu liên quan đến tiết kiệm năng lượng trong hệ thống điều hòa không khí và thiết kế tối ưu các thành phần nhiệt:

  • Các giải pháp tiết kiệm năng lượng HVAC: Hệ thống trữ lạnh (Fang et al., 2009; Erek và Dincer, 2008; Zhao et al., 2008; Habeebullah, 2007; Cliche và Lacroix, 2006; Ismail et al., 2003); hệ thống lạnh hấp thụ và hệ thống nhiệt/lạnh dẫn động bằng động cơ gas hoặc tuabin khí kết hợp CCHP (Xu và Yang, 2009; Sun, 2008); điều hòa không khí năng lượng mặt trời (Pongtornkulpanich et al., 2008); giải pháp giảm tiêu thụ nước của tháp giải nhiệt (Al-Bassam và Maheshwari, 2011).
  • Nghiên cứu về cấu hình và tối ưu hóa hệ thống chiller: Wang (2001) và Petchers (2003) mô tả việc lắp đặt chiller nối tiếp. Các nghiên cứu tối ưu hóa điểm vận hành của hệ thống chiller song song được thực hiện bởi Lu et al. (2004, 2005a, 2005b) và Ma et al. Đối với chiller cấu hình SSCF, Groenke và Schwedler (2002) đã nghiên cứu hệ thống gồm 2 chiller SSCF (mỗi chiller có 2 mạch môi chất lạnh tạo thành 4 cấp giảm lift) và chứng minh khả năng giảm 14% công suất tiêu thụ điện ở điều kiện nhiệt độ nước cố định. Eppelheimer (2003) thực hiện phân tích định hướng về tác động của lưu lượng và nhiệt độ nước đối với hệ thống SSCF, chỉ ra tiềm năng nâng cao hiệu quả năng lượng từ quạt tháp giải nhiệt và bơm.
  • Nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm: Khalifeh Soltan et al. tối ưu hóa tổng chi phí theo khoảng cách tấm ngăn (baffle spacing) cho bình ngưng vỏ kiểu E và J; Serna và Jimenez (2005) đề xuất phương pháp tính toán rút gọn dựa trên phương pháp Bell-Delaware; Ravagnani và Caballero (2007) khảo sát biến số thiết kế theo tiêu chuẩn TEMA; Allen và Gosselin (2008) ứng dụng thuật toán di truyền (GAs) tối ưu hóa 11 biến số cho bình ngưng; Ponce-Ortega et al. tiếp tục kiểm chứng thuật toán di truyền trong thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt. Muralikrishna và Shenoy (2000) đưa ra tiêu chuẩn giới hạn tổn thất áp suất cho phép trong ống ($\le 70\text{ kPa}$) và ngoài vỏ.
  • Nghiên cứu về tháp giải nhiệt và dàn lạnh: Serna-González et al. (2010), Rubio-Castro et al. (2010), Kim et al., Söylemez (2001), Cortinovis et al. nghiên cứu tối ưu hóa chi phí vận hành và diện tích bề mặt tháp giải nhiệt; Muangnoi et al. (2007, 2008) phân tích exergy tháp giải nhiệt dọc theo chiều cao khối đệm. Đối với dàn lạnh, Pirompugd et al. và McQuiston nghiên cứu tương quan truyền nhiệt, truyền chất của cánh tấm liên tục.

Khoảng trống luận án giải quyết

Các công trình trước đây chủ yếu khảo sát riêng lẻ từng thiết bị (bình ngưng hoặc bình bay hơi riêng biệt; tháp giải nhiệt độc lập; hoặc chỉ xét hệ thống chiller SSCF ở điều kiện nhiệt độ nước vào/ra cố định). Chưa có công trình nào mô hình hóa tích hợp toàn diện hệ thống điều hòa không khí trung tâm dùng chiller SSCF có xét đến tương tác qua lại giữa cấu trúc ống tăng cường của bình ngưng/bình bay hơi, chế độ thủy nhiệt của tháp giải nhiệt ở lưu lượng thấp, và trạng thái ẩm của dàn lạnh để tìm ra điểm tối ưu toàn cục (global optimum) và đánh giá tổn thất exergy của toàn hệ thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

  1. Mô hình máy làm lạnh nước (Water Chiller Model):

    • Áp dụng phương pháp độ chênh nhiệt độ logarit trung bình (LMTD). Môi chất lạnh R134a ngưng tụ và bay hơi bên ngoài chùm ống, nước lạnh và nước giải nhiệt chuyển động bên trong ống.
    • Hiệu suất đẳng sai của máy nén ($\eta_{is}$) được xác định theo phương trình của Steven Brown et al.: $$\eta_{is} = -0{,}0016 \left(\frac{p_c}{p_e}\right)^2 - 0{,}04478 \left(\frac{p_c}{p_e}\right) + 0{,}8753$$ (trong đó $p_c$ và $p_e$ lần lượt là áp suất ngưng tụ và áp suất bay hơi).
    • Hệ số truyền nhiệt phía nước ($h_{in}$) tính theo tương quan Gnielinski (Serth, 2007) cho $2100 < Re_w < 10^6$ và $0{,}6 < Pr_w < 2000$.
    • Hệ số truyền nhiệt ngưng tụ màng phía ngoài ống có cánh thấp ($h_{out}$) xác định theo tương quan Beatty - Katz kết hợp hệ số hiệu chỉnh số hàng ống $N_r^{-0{,}08}$ (Cavallini et al.).
    • Hệ số truyền nhiệt sôi màng của môi chất R134a ngoài ống tăng cường Turbo-B trong bình bay hơi sử dụng tương quan thực nghiệm của hãng sản xuất Wolverine (Browne và Bansal, 1999): $h_{out} = 0{,}2706 , q_{out}^{0{,}8415}$.
    • Mô hình tổn thất áp suất nước ($\Delta p_w$) bao gồm 3 thành phần (Serth, 2007): tổn thất do ma sát trong ống ($\Delta p_{friction}$), tổn thất cục bộ do đổi hướng dòng qua các pass ($\Delta p_r$), và tổn thất qua các miệng vòi vào/ra ($\Delta p_n$).

  2. Mô hình tháp giải nhiệt ướt (Wet Cooling Tower Model):

    • Xây dựng dựa trên lý thuyết Merkel kết hợp các tương quan thực nghiệm về truyền nhiệt, truyền khối và hệ số tổn thất áp suất không khí cho tháp giải nhiệt đối lưu hút cưỡng bức (Serna-González et al., 2010).
    • Thiết lập hàm mục tiêu tối thiểu hóa công suất tiêu thụ điện của quạt tháp giải nhiệt ($W_{tf}$) với các ràng buộc về diện tích tiết diện, chiều cao khối đệm ($L_{fi}$) và lưu lượng không khí khô.

  3. Mô hình dàn lạnh khử ẩm (Dehumidifying Cooling Coil Model):

    • Ứng dụng phương pháp thế enthalpy (Enthalpy potential method) và các tương quan của McQuiston cho dàn ống trao đổi nhiệt cánh phẳng liên tục dưới các chế độ bề mặt khô (dry), ướt một phần (partially wet) và ướt hoàn toàn (fully wet).

  4. Mô hình phân tích Exergy:

    • Dựa trên Định luật 2 Nhiệt động lực học để xác định độ tiêu hao exergy và tính bất thuận nghịch ($I$) của từng thiết bị: máy nén, bình ngưng, bình bay hơi, van tiết lưu, tháp giải nhiệt, dàn lạnh, bơm nước và quạt gió.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ tính toán

  • Phương pháp mô phỏng số: Toàn bộ thuật toán và hệ phương trình vi phân, phi tuyến được lập trình giải trên môi trường Matlab R2008a. Thuộc tính nhiệt động lực học của nước, không khí ẩm và môi chất R134a được tính toán tự động qua liên kết với thư viện EES (Engineering Equation Solver).
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mô hình thực nghiệm dàn lạnh đối lưu cưỡng bức trong phòng thí nghiệm để thu thập dữ liệu tổn thất áp suất không khí và trao đổi nhiệt. Trang thiết bị gồm: cảm biến đo chênh áp (differential pressure transducers), lưu lượng kế từ tính (magnetic flow meter), động cơ khuấy (stirrer motor), hệ thống thu thập dữ liệu (data logger) có gắn cảm biến vận tốc gió cánh quạt, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm tương đối.
  • Phương pháp kiểm chứng chéo: Dữ liệu tính toán thiết kế bình ngưng và bình bay hơi được kiểm chứng độc lập bằng phần mềm HTRI Xchanger Suite v5.0.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu (Introduction)

Chương 1 trình bày tổng quan về lịch sử phát triển ngành điều hòa không khí từ thời điểm Carrier khởi xướng đầu thế kỷ 20, vai trò của hệ thống HVAC trong tiêu thụ năng lượng công trình hiện đại, và các giải pháp tiết kiệm năng lượng đã được công bố. Tác giả phân tích chi tiết nguyên lý nhiệt động của việc chuyển đổi từ cấu hình chiller song song sang cấu hình nối tiếp - nối tiếp đối lưu (SSCF). Điểm nhấn của chương là sơ đồ hóa cơ chế giảm độ nâng nén (reduced lift) giúp tiết kiệm điện năng máy nén, đồng thời nhận diện mâu thuẫn kỹ thuật về sự gia tăng tổn thất áp suất nước và công suất bơm. Chương 1 kết thúc bằng việc nêu rõ 7 mục tiêu nghiên cứu, phạm vi giả thiết và cấu trúc tổng thể 6 chương của luận án.

Chương 2: Phân tích và thiết kế máy làm lạnh nước sử dụng ống tăng cường thương mại (Analysis and design of a water chiller using commercial enhanced tubes)

Chương 2 tập trung giải quyết bài toán nhiệt - thủy lực cho bình ngưng và bình bay hơi ống chùm tích hợp trong một cụm chiller hoàn chỉnh sử dụng môi chất R134a. Dữ liệu hình học của ống cánh thấp (Low-fin tube từ High Performance Tube, Inc.) cho bình ngưng và ống Turbo-B (Wolverine, Inc.) cho bình bay hơi được đưa vào mô hình tính toán.

Các thông số thiết kế cơ sở được ấn định: công suất bay hơi $Q_{Evap.} = 3000\text{ kW}$; công suất ngưng tụ $Q_{Cond.} = 3412{,}4\text{ kW}$; nhiệt độ ngưng tụ $40^\circ\text{C}$; nhiệt độ bay hơi $2^\circ\text{C}$; nước vào/ra bình ngưng là $30^\circ\text{C} / 35^\circ\text{C}$; nước vào/ra bình bay hơi là $12^\circ\text{C} / 7^\circ\text{C}$. Đường kính miệng vòi bình ngưng là 16,88 inch và bình bay hơi là 15 inch; tỷ số chiều dài ống trên đường kính vỏ nằm trong khoảng từ 3 đến 15.

Loại thông số hình học ống cánh thấp (Bình ngưng) Ký hiệu mẫu No. 191065 (High Performance Tube, Inc.)
Đường kính ngoài danh nghĩa ($D_{out}$) $19{,}05\text{ mm}$ ($3/4\text{ inch}$)
Đường kính trong danh nghĩa ($D_{in}$) $15{,}13\text{ mm}$
Đường kính chân cánh ($D_r$) $15{,}93\text{ mm}$
Chiều cao cánh ($E$) $1{,}56\text{ mm}$
Chiều dày cánh ($\delta$) $0{,}25\text{ mm}$
Mật độ cánh ($N_{fin}$) $748\text{ cánh/m}$ ($19\text{ fins/inch}$)
Tỷ số diện tích ngoài trên diện tích trong ($A_{out}/A_{in}$) $3{,}247$

Kết quả mô phỏng cho thấy số pass của ống ($n_{tp}$) có ảnh hưởng quyết định: cấu hình 1 pass cho tổn thất áp suất nước thấp nhất. Đối với quan hệ giữa đường kính ống và số lượng ống ($n_t$): khi số lượng ống lớn ($n_t > 630$ với bình ngưng $3412{,}4\text{ kW}$), việc sử dụng ống có đường kính nhỏ ($D_{in} = 10{,}08\text{ mm}$) cho phép chiều dài ống ngắn hơn đáng kể so với việc dùng ống đường kính lớn ($D_{in} = 15{,}13\text{ mm}$ hoặc $18{,}52\text{ mm}$). Nguyên nhân là do nhiệt trở bên trong ống giảm mạnh khi vận tốc dòng tăng trong ống đường kính nhỏ. Điều này giúp giảm chi phí vật liệu chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt, tạo cơ sở cho bài toán tối ưu hóa cân bằng giữa chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành bơm nước (đảm bảo tổn thất áp suất không vượt quá ngưỡng $70\text{ kPa}$ theo khuyến cáo của Muralikrishna và Shenoy).

Thiết bị Thông số so sánh Luận án HTRI Xchanger Suite v5.0 Sai số (%)
Bình ngưng ($n_t=919, n_{tp}=1, L_t=3{,}12\text{ m}$) Công suất nhiệt ($Q_{Cond.}$) $3412{,}4\text{ kW}$ $3412{,}3\text{ kW}$ $0{,}00%$
Tổn thất áp suất nước ($\Delta p_w$) $4{,}18\text{ kPa}$ $4{,}02\text{ kPa}$ $4{,}00%$
Bình bay hơi ($n_t=817, n_{tp}=1, L_t=3{,}86\text{ m}$) Công suất lạnh ($Q_{Evap.}$) $3000{,}0\text{ kW}$ $2998{,}06\text{ kW}$ $0{,}06%$
Tổn thất áp suất nước ($\Delta p_w$) $4{,}11\text{ kPa}$ $4{,}20\text{ kPa}$ $2{,}20%$

Sai số so sánh với phần mềm HTRI đều nằm dưới ngưỡng $5%$, khẳng định độ tin cậy của mô hình máy làm lạnh.

Chương 3: Ảnh hưởng của nhiệt độ nước và lưu lượng nước đến tháp giải nhiệt ướt (Effect of water temperature and water flow rate on wet cooling tower)

Chương 3 khảo sát định lượng tác động của nhiệt độ nước cấp vào tháp ($T_{w,in}$) và lưu lượng nước đến hoạt động của tháp giải nhiệt ướt kiểu hút cưỡng bức ngược dòng, áp dụng lý thuyết Merkel. Kết quả tính toán tối ưu hóa công suất quạt tháp giải nhiệt được so sánh và kiểm chứng với kết quả sử dụng gói tối ưu hóa DICOPT từ nghiên cứu của Serna-González et al.

Phát hiện quan trọng nhất của chương là: việc tăng nhiệt độ nước vào tháp kết hợp giảm lưu lượng nước không phải lúc nào cũng mang lại hiệu quả giảm điện năng tiêu thụ cho quạt tháp. Khi nhiệt độ nước vào tăng và lưu lượng nước giảm, lưu lượng khối không khí khô cần thiết có thể giảm, nhưng chiều cao khối đệm tháp giải nhiệt ($L_{fi}$) lại phải tăng lên để kéo dài thời gian tiếp xúc giữa nước nóng và không khí. Sự đánh đổi này làm xuất hiện một điểm cực đại về công suất tiêu thụ điện của quạt tháp giải nhiệt tại nhiệt độ nước vào đúng $36^\circ\text{C}$ (giá trị này không phụ thuộc vào phụ tải nhiệt $Q$ của tháp). Do đó, để quạt tháp giải nhiệt vận hành tiết kiệm điện, nhiệt độ nước vào tháp giải nhiệt phải được thiết lập cao hơn hoặc thấp hơn mốc $36^\circ\text{C}$. Khi nhiệt độ nước vào đủ cao ($> 36^\circ\text{C}$), thế truyền nhiệt và truyền chất tăng vượt trội giúp giảm kích thước khối đệm và hạ thấp công suất quạt.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa dàn lạnh khử ẩm (Experimental and modeling studies of a dehumidifying cooling coil)

Chương 4 nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong dàn lạnh khử ẩm có cánh phẳng liên tục bằng phương pháp thế enthalpy kết hợp các tương quan của McQuiston. Mô hình thực nghiệm được lắp đặt hoàn chỉnh để đo đạc và kiểm chứng các tham số thủy nhiệt.

Kết quả phân tích và thực nghiệm cho thấy: các phương trình tương quan của McQuiston dự báo rất chính xác tổn thất áp suất không khí qua dàn lạnh ở hai trạng thái biên: bề mặt khô hoàn toàn (fully dry) và bề mặt ướt hoàn toàn (fully wet). Tuy nhiên, các công thức của McQuiston chưa bao quát được chế độ bề mặt ướt một phần (partially wet - trạng thái chuyển tiếp phổ biến trong thực tế). Tác giả đã đề xuất một mô hình tương quan tuyến tính giữa vùng khô hoàn toàn và ướt hoàn toàn để xác định tổn thất áp suất phía không khí cho trạng thái ướt một phần: $$\Delta p_{a,partially_wet} = \Delta p_{a,dry} + \frac{A_{wet}}{A_{tot}} (\Delta p_{a,wet} - \Delta p_{a,dry})$$ Đề xuất này đã được kiểm chứng và xác nhận phù hợp hoàn toàn với số liệu đo đạc thực nghiệm trên mô hình dàn lạnh thực tế.

Chương 5: Tối ưu hóa tổng thể và phân tích exergy hệ thống điều hòa không khí với các máy làm lạnh nối tiếp - nối tiếp đối lưu (Overall optimization and exergy analysis of the air-conditioning system with series-series counter-flow chillers)

Chương 5 tích hợp tất cả các mô hình thành phần (chiller SSCF, tháp giải nhiệt, dàn lạnh, bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt, quạt dàn lạnh và quạt tháp giải nhiệt) thành một hệ thống hoàn chỉnh để giải bài toán tối ưu hóa tổng thể và phân tích exergy. Các biến độc lập chính gồm: nhiệt độ nước vào dàn lạnh ($T_{w1}$), nhiệt độ nước rời tháp giải nhiệt ($T_{w3}$), lưu lượng nước giải nhiệt và số lượng chiller mắc SSCF ($n_{chillers}$).

Kết quả phân tích năng lượng:

  • Khi vận hành ở các thông số danh định của hệ thống song song truyền thống, hệ số hiệu quả năng lượng (COP) của toàn hệ thống chiller SSCF chỉ đạt giá trị cực đại ở một số lượng chiller nhất định; khi số lượng chiller $n_{chillers} > 4$, hệ thống SSCF trở nên kém hiệu quả do tổn thất áp suất nước quá lớn.
  • Khi thực hiện tối ưu hóa tổng thể đồng thời tất cả các biến điểm cài đặt (set-points), COP toàn hệ thống chiller SSCF có thể tăng lên đến $26%$ so với hệ thống chiller song song truyền thống. Khi số lượng chiller trong cấu hình SSCF tăng lên sau điểm tối ưu, COP tối ưu có xu hướng giảm dần.

Kết quả phân tích Exergy:

  • Hiệu suất exergy của toàn bộ hệ thống điều hòa không khí sử dụng chiller SSCF đạt $83%$, cao hơn đáng kể so với mức $77%$ của hệ thống chiller song song truyền thống.
  • Tính bất thuận nghịch (tổn thất exergy) của các thiết bị thành phần chính trong hệ chiller SSCF (máy nén, bình ngưng, bình bay hơi) đều thấp hơn so với hệ thống song song. Tính bất thuận nghịch của dàn lạnh trong hệ SSCF cao hơn nhẹ, trong khi tính bất thuận nghịch của tháp giải nhiệt lại thấp hơn so với hệ song song tương ứng.

Chương 6: Thảo luận, kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo (Discussion, conclusions, and future work)

Chương cuối cùng tổng kết các luận điểm khoa học, đánh giá tính tương thích của mô hình tối ưu hóa và đề xuất các định hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo cho hệ thống điều hòa không khí trung tâm.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và học thuật

  1. Thiết lập mô hình toán học tích hợp tổng thể: Xây dựng thành công mô hình mô phỏng đồng thời Định luật 1 và Định luật 2 Nhiệt động lực học cho toàn bộ hệ thống điều hòa không khí trung tâm sử dụng chiller nối tiếp - nối tiếp đối lưu (SSCF), kết hợp đầy đủ các thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm tăng cường, dàn lạnh khử ẩm và tháp giải nhiệt ướt.
  2. Bổ sung mô hình trở lực dàn lạnh ướt một phần: Phát hiện khoảng trống trong tương quan McQuiston và đề xuất thành công mô hình nội suy tuyến tính dự báo tổn thất áp suất không khí qua dàn lạnh cánh phẳng ở chế độ ướt một phần, được xác thực bằng thực nghiệm.
  3. Phát hiện điểm uốn tiêu thụ năng lượng của tháp giải nhiệt: Chứng minh sự tồn tại của điểm cực đại tiêu thụ công suất quạt tháp giải nhiệt tại nhiệt độ nước vào $36^\circ\text{C}$ do sự cạnh tranh giữa lưu lượng khí và chiều cao khối đệm, độc lập với phụ tải nhiệt của tháp.
  4. Định lượng hiệu quả exergy của cấu hình SSCF: Chỉ ra hiệu suất exergy của hệ thống chiller SSCF đạt $83%$ so với $77%$ của hệ thống song song, đồng thời làm rõ sự phân bố tính bất thuận nghịch tại từng thiết bị thành phần.

Kiến nghị và giải pháp kỹ thuật đề xuất

  • Tối ưu hóa điểm đặt vận hành: Phải tiến hành tối ưu hóa đồng thời các thông số điểm đặt ($T_{w1}, T_{w3}$, lưu lượng nước) thay vì giữ nguyên thông số danh định của hệ song song, giúp nâng cao COP toàn hệ thống lên tới $26%$.
  • Giới hạn số lượng máy làm lạnh SSCF: Khuyến nghị chỉ nên áp dụng cấu hình SSCF cho hệ thống có tối đa 4 chiller ($n_{chillers} \le 4$). Khi quy mô hệ thống yêu cầu nhiều hơn 4 chiller, việc áp dụng SSCF thuần túy sẽ không mang lại hiệu quả năng lượng do tổn thất áp suất phía nước quá lớn.
  • Quy tắc chọn ống trao đổi nhiệt: Khi thiết kế bình ngưng ống chùm công suất lớn có số lượng ống $n_t > 630$, nên ưu tiên chọn ống có đường kính nhỏ ($D_{in} \approx 10{,}08\text{ mm}$) để thu ngắn chiều dài thiết bị, giảm nhiệt trở trong ống và tiết kiệm chi phí đầu tư chế tạo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Mô hình tính toán được thiết lập dưới các giả định: phụ tải lạnh và điều kiện thời tiết ngoài trời cố định trước; bỏ qua ảnh hưởng của hiện tượng bám bẩn (fouling) trong ống truyền nhiệt; bỏ qua tổn thất áp suất của môi chất lạnh R134a; giả định phần khử quá nhiệt của môi chất được tách riêng khỏi bình ngưng.
  • Nghiên cứu chưa mô phỏng động theo thời gian thực (dynamic simulation) cho các kịch bản phụ tải thay đổi liên tục trong suốt chu kỳ năm.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng mô hình tối ưu hóa cho các hệ thống điều hòa không khí vận hành dưới điều kiện phụ tải dao động và thời tiết thay đổi theo mùa.
  • Nghiên cứu cấu hình kết hợp hỗn hợp (mixed parallel and SSCF arrangements) cho các trạm chiller quy mô lớn có trên 4 tổ máy.
  • Khảo sát ảnh hưởng của việc tích hợp biến tần điều khiển tốc độ quạt và bơm nước đối với điểm vận hành tối ưu của toàn hệ thống.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu đối với:

  • Nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt, Năng lượng, HVAC&R: Tham khảo phương pháp luận tích hợp mô hình nhiệt động lực học Định luật 1 và Định luật 2, thuật toán ghép nối đa thiết bị trên Matlab/EES, và phương pháp xử lý thực nghiệm truyền nhiệt - truyền chất dàn lạnh.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống cơ điện (M&E) và tư vấn năng lượng công trình: Cung cấp cơ sở định lượng và bản đồ thông số vận hành tối ưu khi chuyển đổi hoặc thiết kế mới trạm chiller trung tâm theo sơ đồ SSCF nhằm tiết kiệm điện năng.
  • Kỹ sư chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt: Dữ liệu thiết kế chi tiết bình ngưng và bình bay hơi dùng ống cánh thấp và ống Turbo-B, cùng các chỉ dẫn lựa chọn đường kính ống tối ưu theo số lượng ống.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao việc bố trí chiller theo cấu hình nối tiếp - nối tiếp đối lưu (SSCF) lại giúp giảm công suất nén nhưng có nguy cơ làm tăng công suất bơm?

Trong cấu hình SSCF, dòng nước lạnh chảy nối tiếp qua các bình bay hơi (nước lạnh rời bình bay hơi 1 có nhiệt độ cao hơn) và dòng nước giải nhiệt chảy nối tiếp ngược chiều qua các bình ngưng (nước giải nhiệt rời bình ngưng 2 có nhiệt độ thấp hơn). Điều này làm giảm độ chênh lệch giữa nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi (độ nâng nén - lift) của từng chiller so với cấu hình song song, dẫn đến công suất tiêu thụ của máy nén giảm. Tuy nhiên, do toàn bộ lưu lượng nước của hệ thống phải chảy tuần tự qua từng chiller, lưu lượng nước qua mỗi bình ngưng và bình bay hơi tăng cao, làm tổn thất áp suất nước tăng theo hàm bậc hai của lưu lượng và công suất bơm nước tăng theo hàm bậc ba của lưu lượng.

2. Mô hình tính toán thiết kế máy làm lạnh trong luận án đạt độ chính xác như thế nào khi so sánh với phần mềm chuyên dụng HTRI?

Kết quả tính toán nhiệt và thủy lực của luận án đối với bình ngưng (công suất $3412{,}4\text{ kW}$) và bình bay hơi (công suất $3000\text{ kW}$) sử dụng môi chất R134a cho thấy sự tương thích rất cao với phần mềm thương mại HTRI Xchanger Suite v5.0. Sai số về công suất nhiệt của bình ngưng là $0{,}00%$ và bình bay hơi là $0{,}06%$; sai số về tổn thất áp suất phía nước của bình ngưng là $4{,}00%$ ($4{,}18\text{ kPa}$ so với $4{,}02\text{ kPa}$) và bình bay hơi là $2{,}20%$ ($4{,}11\text{ kPa}$ so với $4{,}20\text{ kPa}$). Tất cả sai số đều nằm dưới ngưỡng $5%$.

3. Hiện tượng cực đại công suất quạt tháp giải nhiệt tại nhiệt độ nước vào $36^\circ\text{C}$ được giải thích như thế nào?

Khi tăng nhiệt độ nước vào tháp giải nhiệt và giảm lưu lượng nước, lưu lượng không khí khô yêu cầu có xu hướng giảm, nhưng chiều cao khối đệm của tháp ($L_{fi}$) bắt buộc phải tăng lên để đảm bảo đủ thời gian tiếp xúc giữa pha nước và pha khí. Sự đánh đổi giữa việc giảm lưu lượng khí và tăng trở lực do tăng chiều cao khối đệm dẫn đến công suất tiêu thụ của quạt tháp đạt giá trị cực đại tại mốc nhiệt độ nước vào $36^\circ\text{C}$ (không phụ thuộc vào phụ tải nhiệt của tháp). Chỉ khi nhiệt độ nước vào vượt qua mốc này, tiềm năng truyền nhiệt và truyền chất mới đủ lớn để giảm đồng thời cả kích thước khối đệm và công suất quạt.

4. Luận án đã đề xuất giải pháp gì cho mô hình dàn lạnh khử ẩm ở trạng thái bề mặt ướt một phần?

Các công thức thực nghiệm của McQuiston chỉ mô tả chính xác tổn thất áp suất không khí khi bề mặt cánh ở trạng thái khô hoàn toàn hoặc ướt hoàn toàn. Luận án đã đề xuất một mô hình tương quan tuyến tính tính toán tổn thất áp suất không khí trong giai đoạn ướt một phần dựa trên tỷ lệ diện tích bề mặt ướt ($A_{wet}/A_{tot}$). Đề xuất này đã được kiểm chứng và khẳng định tính chính xác thông qua hệ thống đo đạc thực nghiệm chuyên dụng của luận án.

Kết luận

Luận án của tác giả Nguyễn Minh Phú đã giải quyết trọn vẹn bài toán tối ưu hóa tổng thể hệ thống điều hòa không khí trung tâm sử dụng các máy làm lạnh nước nối tiếp - nối tiếp đối lưu (SSCF). Bằng sự kết hợp giữa mô hình hóa nhiệt động lực học, mô phỏng số trên Matlab/EES, kiểm chứng qua phần mềm HTRI và thực nghiệm dàn lạnh, công trình đã chứng minh cấu hình SSCF khi được tối ưu hóa toàn diện có thể nâng cao hệ số COP toàn hệ thống lên tới $26%$ và đạt hiệu suất exergy $83%$ (so với $77%$ của hệ song song). Luận án đồng thời cung cấp các chỉ dẫn kỹ thuật quan trọng về giới hạn số lượng chiller ($n_{chillers} \le 4$), tiêu chuẩn chọn ống tăng cường đường kính nhỏ trong thiết kế bình ngưng, và điểm uốn nhiệt độ nước vào tháp giải nhiệt ($36^\circ\text{C}$), đóng góp giá trị khoa học và thực tiễn cho lĩnh vực kỹ thuật điều hòa không khí và tiết kiệm năng lượng.