-Hệ thống ghép tầng có nhiều lợi ích hơn so với hệ thống nén nhiều cấp: o Chi phí vận hành thấp và hiệu suất năng lượng cao Hệ thống làm lạnh ghép tầng có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp
TỔNG QUAN VỀ MÁY LẠNH GHÉP TẦNG
Giới thiệu chung về máy lạnh ghép tầng
1.1.1 Định nghĩa máy lạnh ghép tầng
Máy lạnh ghép tầng là sự kết hợp của các chu trình lạnh đơn giản một cấp hoặc hai cấp, trong đó thiết bị bay hơi của tầng trên làm mát thiết bị ngưng tụ của tầng dưới Nhiệt thải từ thiết bị ngưng tụ tầng dưới cung cấp cho thiết bị bay hơi tầng trên, do đó, phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ tầng dưới tương đương với phụ tải nhiệt của thiết bị bay hơi tầng dưới Để đảm bảo hiệu quả truyền nhiệt, nhiệt độ ngưng tụ tầng dưới cần phải cao hơn nhiệt độ bay hơi tầng trên.
Hình 1.1 Chu trình máy lạnh ghép tầng cơ bản
Hệ thống này được sử dụng phổ biến để làm lạnh trong khoảng nhiệt độ từ -50 đến -100°C, nơi mà các chu trình 2 hoặc 3 cấp thông thường gặp phải những hạn chế như áp suất ngưng tụ quá cao và áp suất bay hơi quá thấp Bên cạnh đó, chu trình này còn được ứng dụng để đạt được nhiệt độ siêu thấp lên đến -210°C.
Hệ thống ghép tầng có nhiều lợi ích hơn so với hệ thống nén nhiều cấp: o Chi phí vận hành thấp và hiệu suất năng lượng cao
Hệ thống làm lạnh ghép tầng hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ thấp, với hiệu suất năng lượng cao nhờ vào công suất nén cần thiết thấp hơn so với các hệ thống làm lạnh thông thường Điều này cho phép đạt được mức làm lạnh tương tự nhưng với khả năng vận hành linh hoạt hơn.
Hệ thống làm lạnh tầng có khả năng đạt nhiệt độ cực thấp, lên tới -120°C Nếu hệ thống hai tầng không đáp ứng được yêu cầu làm lạnh, có thể thêm tầng để đạt được nhiệt độ thấp hơn Ngoài ra, việc bảo trì hệ thống cũng trở nên dễ dàng hơn.
Việc bảo trì hệ thống làm lạnh ghép tầng dễ dàng hơn so với hệ thống làm lạnh thông thường tương đương.
Việc bảo trì trở nên thuận tiện hơn nhờ vào tỷ số nén thấp và nhiệt độ dầu bôi trơn thấp hơn trong quá trình vận hành.
Hệ thống máy lạnh ghép tầng yêu cầu tỉ số nén thấp hơn so với hệ thống thông thường, dẫn đến nhiệt độ dầu bôi trơn thấp hơn Điều này giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn với hệ số hiệu suất (COP) cao hơn và công suất nén thấp hơn.
Hệ thống làm lạnh tầng có hệ số hiệu suất (COP) vượt trội so với các hệ thống làm lạnh thông thường, nhờ vào khả năng tạo ra hiệu ứng làm lạnh mạnh mẽ hơn với mức công suất nén đầu vào thấp hơn Điều này dẫn đến hiệu suất thể tích cao hơn, mang lại lợi ích rõ rệt trong việc tiết kiệm năng lượng.
Tỷ số áp suất trong chu trình làm lạnh tỷ lệ nghịch với hiệu suất thể tích, cho thấy hệ thống làm lạnh tầng sử dụng tỷ số áp suất thấp hơn so với hệ thống thông thường Điều này dẫn đến hiệu suất thể tích cao hơn, một đặc điểm rất được ưa chuộng trong các ứng dụng làm lạnh.
Trong hệ thống lạnh ghép tầng, phía nhiệt độ cao thường sử dụng các môi chất lạnh phổ biến như R404A hoặc amoniac, trong khi phía nhiệt độ thấp sử dụng R23 hoặc các loại môi chất lạnh HFC khác.
1.1.2 Vai trò và lý do sử dụng hệ thống ghép tầng o Vai trò của hệ thống ghép tầng
Hệ thống làm lạnh ghép tầng là giải pháp tối ưu cho các ứng dụng cần nhiệt độ rất thấp, vượt qua khả năng của các hệ thống làm lạnh thông thường Các vai trò chính của hệ thống này bao gồm việc cung cấp hiệu suất làm lạnh cao và duy trì nhiệt độ ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt.
1 Đạt được nhiệt độ cực thấp:
Hệ thống ghép tầng cho phép đạt nhiệt độ rất thấp, dưới -50 °C và có thể xuống tới -100 °C, thông qua nhiều chu trình làm lạnh liên kết Điều này rất quan trọng trong việc lưu trữ các mẫu sinh học và y tế như vắc-xin và tế bào gốc, sản xuất khí hóa lỏng như nitơ lỏng và oxy lỏng, cũng như ứng dụng trong ngành công nghiệp điện tử để làm mát chip và linh kiện.
2 Tăng hiệu quả năng lượng:
Hệ thống ghép tầng tối ưu hóa hiệu quả năng lượng bằng cách chia quá trình làm lạnh thành nhiều giai đoạn Mỗi tầng được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong một dải nhiệt độ cụ thể, giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng.
3 Mở rộng giới hạn của môi chất lạnh:
Hệ thống ghép tầng cho phép sử dụng nhiều loại môi chất lạnh khác nhau ở từng tầng, đáp ứng yêu cầu về nhiệt độ và áp suất riêng biệt Việc này giúp khắc phục những hạn chế của môi chất lạnh đơn lẻ khi hoạt động ở nhiệt độ cực thấp.
Hệ thống ghép tầng mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các hệ thống làm lạnh thông thường, đặc biệt là trong các điều kiện khắc nghiệt.
1 Giảm áp lực trên máy nén:
Hệ thống ghép tầng chia quá trình làm lạnh thành nhiều chu trình nhỏ, giúp giảm áp lực và nhiệt độ hoạt động của máy nén, từ đó tăng tuổi thọ và độ tin cậy của hệ thống.
Phân loại máy lạnh ghép tầng
1.2.1 Phân loại theo số tầng
Hệ thống ghép tầng hai cấp (Two-stage cascade system): Gồm hai hệ thống làm lạnh hoạt động tuần tự, với tầng trên làm mát tầng dưới.
Hình 1.2 Hệ thống ghép tầng 2 cấp
Hệ thống ghép tầng nhiều cấp (Multi-stage cascade system): Dùng ba tầng trở lên để đạt nhiệt độ rất thấp, thường dùng trong công nghiệp đông lạnh sâu.
Hình 1.3 Hệ thống ghép tầng 3 cấp
Hình 1.4 Hệ thống ghép tầng nhiều cấp
1.2.2 Phân loại theo môi chất lạnh sử dụng
Trong hệ thống lạnh ghép tầng, mỗi tầng sử dụng một loại môi chất lạnh tương ứng với dải nhiệt độ cụ thể Tầng cao thường sử dụng môi chất lạnh có nhiệt độ sôi cao hơn, trong khi tầng thấp sử dụng môi chất lạnh có nhiệt độ sôi rất thấp.
1.2.2.1 Hệ thống ghép tầng sử dụng môi chất lạnh tổng hợp
Hình 1.5 Các loại môi chất tổng hợp thường dùng
R-134a / R-23 → Sử dụng nhiều trong bảo quản dược phẩm, thực phẩm đông lạnh sâu (-80°C đến -100°C).
R-404A / R-508B → Dùng trong công nghiệp đông lạnh sâu, kho lạnh bảo quản thủy sản.
R-407C / R-23 → Áp dụng cho hệ thống lạnh công nghiệp có nhiệt độ -
R-410A / R-23 → Dùng trong các thiết bị làm lạnh có yêu cầu nhiệt độ cực thấp.
Hình 1.6 Hệ thống ghép tầng R410A/R23
1.2.2.2 Hệ thống ghép tầng sử dụng môi chất lạnh tự nhiên
CO₂ (R-744) / Amoniac (R-717) → Hệ thống hiệu suất cao, ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm.
CO₂ (R-744) / Propan (R-290) → Sử dụng trong hệ thống lạnh thương mại và công nghiệp.
Amoniac (R-717) / Etylen (R-1150) → Dùng trong công nghiệp hóa chất và sản xuất khí lạnh sâu.
CO₂ (R-744) / Metan (R-50) → Áp dụng trong công nghệ siêu lạnh, phòng thí nghiệm (-150°C đến -200°C).
Hình 1.7 Hệ thống ghép tầng R744/R717
1.2.2.3 Hệ thống ghép tầng kết hợp
R-404A / CO₂ (R-744) → Ứng dụng trong hệ thống làm lạnh trung tâm, siêu thị, kho lạnh.
R-134a / CO₂ (R-744) → Được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm, bảo quản lạnh sâu.
Amoniac (R-717) / R-23 → Sử dụng trong hệ thống lạnh công nghiệp lớn, kho lạnh bảo quản thịt cá.
R-134a / R-23 → Lạnh sâu trong ngành dược phẩm, thiết bị thí nghiệm, siêu lạnh.
R-410A / R-13 → Hệ thống làm lạnh siêu sâu trong lĩnh vực y tế và nghiên cứu khoa học
Tiêu Chí lựa chọn cặp môi chất lạnh phù hợp:
Hiệu suất làm lạnh cao
Tác động môi trường thấp (GWP, ODP thấp)
An toàn khi sử dụng (độc tính, tính cháy nổ)
Chi phí đầu tư và bảo trì hợp lý
Tính tương thích với thiết bị và vật liệu
Áp suất vận hành phù hợp
Khả năng tái sử dụng và tái chế
Tính sẵn có và khả năng thay thế
Tính ổn định hóa học và nhiệt
Nhiệt độ bay hơi và ngưng tụ thích hợp
1.2.3 Phân loại theo cấu trúc hệ thống
Hình 1.8 Phân loại hệ thống máy lạnh ghép tầng theo cấu trúc
1.2.3.1 Two-Stage Cascade Refrigeration System (CCRS)
Hình 1.9 Quy trình của chu trình làm lạnh tầng cascade CO₂/NH₃ với bộ phun–giãn nở kiểu mới
1.2.3.2 Three-stage cascade refrigeration system (TCRS)
Hình 1.10 Mô hình chu trình làm lạnh ghép tầng 3 cấp
1.2.3.3 Cascade Absorption Refrigeration System (CARS)
Hình 1.11 Chu trình máy lạnh ghép tầng hấp thụ
1.2.3.4 Compression–Absorption Cascade Refrigeration (CACRS)
Hình 1.12 Hệ thống máy lạnh ghép tầng kết hợp nén – hấp thụ
Một vài biến thể khác dựa theo hệ thống CACRS bao gồm: o Combined vapor compression–absorption cascade refrigeration system (CACRS) and organic Rankine cycle (ORC)
Hình 1.13 Hệ thống máy lạnh ghép tầng kết hợp với chu trình Rankine o A compression–absorption double-stage (CADS) system
Hình 1.14 Hệ thống CADS nén-hấp thụ 2 tầng o A solar driven dual-evaporator vapor compression–absorption cascade refrigeration system
Hình 1.15 Máy lạnh ghép tầng nén-hấp thụ kết hợp với năng lượng mặt trời o The compression–absorption cascade refrigeration system powered by a cogeneration system
1.2.3.5 Auto-Cascade Refrigeration System (ACRS)
Several variants based on the CADS system include the auto-cascade absorption refrigeration system (ACARS), the auto-cascade ejector refrigeration cycle (ACERC), and the low-temperature absorption–compression cascade refrigeration system (LACRS).
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy lạnh ghép tầng
Ưu và nhược điểm của máy lạnh ghép tầng
Hệ thống làm lạnh tầng là giải pháp kỹ thuật hiệu quả, sử dụng nhiều chu trình làm lạnh nối tiếp với các chất môi lạnh khác nhau Phương pháp này cho phép đạt được nhiệt độ thấp hơn so với hệ thống làm lạnh một tầng, mang lại hiệu suất cao hơn trong các ứng dụng cần nhiệt độ cực thấp.
Hệ thống này phổ biến trong các ngành công nghiệp cần nhiệt độ cực thấp Bài viết sẽ cung cấp phân tích chi tiết về những ưu điểm và nhược điểm của hệ thống này.
1 Đạt được nhiệt độ cực thấp: o Hệ thống làm lạnh tầng được thiết kế để đạt được nhiệt độ rất thấp, thường thấp hơn -50°C, điều mà các hệ thống một tầng không thể đạt được. o Ứng dụng trong các ngành công nghiệp đặc thù như sản xuất khí hóa lỏng(LNG), bảo quản dược phẩm, đông lạnh thực phẩm sâu, hoặc nghiên cứu trong lĩnh vực nhiệt độ thấp (cryogenics).
2 Hiệu suất cao ở nhiệt độ thấp:
Chia nhỏ quá trình làm lạnh thành các tầng cho phép mỗi tầng xử lý một phạm vi nhiệt độ cụ thể, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành so với hệ thống đơn lẻ cố gắng đạt cùng mức nhiệt độ.
3 Giảm tải trọng và áp lực trên máy nén:
Mỗi tầng trong hệ thống hoạt động hiệu quả khi duy trì nhiệt độ tối ưu, điều này không chỉ giảm áp lực và tải trọng lên máy nén mà còn kéo dài tuổi thọ của thiết bị.
4 Sử dụng linh hoạt các loại chất môi lạnh:
Các tầng khác nhau trong hệ thống có thể sử dụng các chất môi lạnh khác nhau, được lựa chọn dựa trên đặc tính nhiệt động học phù hợp với từng phạm vi nhiệt độ Chẳng hạn, tầng trên có thể sử dụng R134a, trong khi tầng dưới có thể sử dụng NH3 hoặc CO2.
Do mỗi tầng hoạt động trong phạm vi nhiệt độ và áp suất tối ưu, nguy cơ gặp sự cố do áp suất cao được giảm thiểu đáng kể.
6 Ứng dụng trong các lĩnh vực đặc biệt:
Hệ thống này phù hợp cho các ứng dụng cần nhiệt độ cực thấp hoặc đông lạnh sâu, như bảo quản mô, máu, vaccine, và các sản phẩm y tế.
1 Chi phí đầu tư ban đầu cao:
Hệ thống làm lạnh tầng đòi hỏi nhiều thiết bị hơn, bao gồm máy nén, bộ trao đổi nhiệt và mạch riêng cho từng tầng, dẫn đến chi phí đầu tư cao hơn so với hệ thống làm lạnh một tầng.
2 Thiết kế và vận hành phức tạp:
Thiết kế, cài đặt và vận hành hệ thống yêu cầu kỹ thuật chuyên sâu, do đó cần có đội ngũ chuyên gia để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và an toàn.
3 Tiêu thụ năng lượng lớn hơn:
Hệ thống này tiêu thụ năng lượng lớn hơn do có nhiều tầng và các thiết bị hoạt động song song, dẫn đến chi phí vận hành cao hơn so với các hệ thống làm lạnh thông thường.
4 Tốn diện tích lắp đặt:
Hệ thống yêu cầu một không gian rộng lớn hơn để lắp đặt nhiều thiết bị như máy nén, bình trao đổi nhiệt và các đường ống riêng biệt cho từng tầng.
5 Nguy cơ rò rỉ chất môi lạnh:
Sự cố tại bộ trao đổi nhiệt giữa các tầng có thể dẫn đến nguy cơ rò rỉ hoặc nhiễm bẩn giữa các chất môi lạnh, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động và gây ra chi phí sửa chữa cao.
6 Chi phí bảo trì cao:
Bảo trì hệ thống với nhiều thiết bị và linh kiện phức tạp tốn nhiều công sức và chi phí hơn so với các hệ thống làm lạnh thông thường.
7 Không thân thiện với môi trường:
Các chất môi lạnh khác nhau trong hệ thống có thể gây hại cho môi trường, bao gồm khả năng phá hủy tầng ozone (ODP) và góp phần vào hiện tượng nóng lên toàn cầu (GWP) Do đó, việc xử lý và thay thế các chất này phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy định về môi trường.
Các ứng dụng thực tế của máy lạnh ghép tầng
1.5.1 Bảo quản các chế phẩm y tế như máu, ADN…
Máu và các chế phẩm từ máu yêu cầu quy trình bảo quản lạnh nghiêm ngặt với nhiều chế độ nhiệt khác nhau, từ 240°C đến -1960°C Các bệnh viện có trung tâm bảo quản máu sử dụng nhiều loại thiết bị lạnh để bảo quản các chế phẩm này Những thiết bị lạnh này hoạt động độc lập với chế độ nhiệt cố định do nhà sản xuất thiết kế Việc sử dụng nhiều thiết bị lạnh với các chế độ nhiệt khác nhau dẫn đến chi phí vận hành cao, quản lý kém hiệu quả, lãng phí đầu tư và chồng chéo chức năng giữa các thiết bị.
Hình 1.17 Sơ đồ hệ thống lạnh Cycro
1.5.2 Công nghiệp hóa lỏng khí tự nhiên (LNG - Liquefied Natural Gas)
Trước tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, nguồn năng lượng sạch, đặc biệt là khí đốt tự nhiên, đang thu hút sự chú ý Khí tự nhiên được coi là lựa chọn ưu tiên nhờ vào tính sạch sẽ và hiệu quả, phù hợp cho cả ngành công nghiệp và nhu cầu sử dụng dân dụng.
Trong quá trình vận chuyển, việc sử dụng đường ống để chuyển khí tự nhiên gặp nhiều rủi ro và chi phí cao, khiến cho phương pháp này trở nên không khả thi Để khắc phục vấn đề này, công nghệ CRS được áp dụng để hóa lỏng khí tự nhiên trước khi vận chuyển bằng tàu biển trong các thùng cách nhiệt đặc biệt.
Quá trình làm lạnh khí tự nhiên không chỉ đơn thuần là làm lạnh mà còn áp dụng phương pháp làm lạnh theo cấp số nhân, tối ưu hóa hiệu suất Việc sử dụng CRS mang lại nhiều lợi ích, duy trì sự ổn định trong quá trình làm lạnh và giảm tiêu thụ năng lượng Hơn nữa, CRS tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển khí tự nhiên, cho phép chuyển khí đến nơi tiêu thụ qua đường biển dưới dạng lỏng trong các bể cách nhiệt đặc biệt trên tàu Điều này không chỉ giảm chi phí mà còn tăng tính khả dụng của khí tự nhiên.
Hình 1.18 Ứng dụng cho hóa lỏng khí tự nhiên
1.5.3 Ngành công nghiệp thực phẩm
Trong ngành xuất khẩu thực phẩm, việc đông lạnh thực phẩm ở nhiệt độ cực thấp dưới -50°C là rất quan trọng, vì nó ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn và đảm bảo chất lượng sản phẩm trong quá trình vận chuyển xa.
Hệ thống đông lạnh sâu được áp dụng để bảo quản thực phẩm như cá, thịt, hải sản và các sản phẩm chế biến, giúp duy trì chất lượng của chúng trong thời gian dài.
1.5.4 Công nghiệp điện tử và chế tạo chip vi mạch bán dẫn, hay cho máy tính lượng tử cliozenic
Các nhà máy sản xuất chip yêu cầu môi trường có nhiệt độ thấp để kiểm tra độ bền và hiệu suất sản phẩm, đặc biệt là trong các điều kiện khắc nghiệt.
Trong quy trình sản xuất chip bán dẫn và linh kiện điện tử, máy lạnh ghép tầng đóng vai trò quan trọng trong việc làm lạnh thiết bị và kiểm soát nhiệt độ.
Hình 1.19 Ứng dụng trạng thái siêu dẫn
Tại các trung tâm nghiên cứu và thử nghiệm vũ trụ, việc kiểm tra khả năng chịu đựng của các thành phần vệ tinh, tàu vũ trụ và thiết bị không gian trong môi trường khắc nghiệt là rất quan trọng.
Máy lạnh ghép tầng là thiết bị quan trọng được sử dụng để thử nghiệm các thiết bị không gian trong điều kiện nhiệt độ cực thấp, mô phỏng môi trường chân không ngoài vũ trụ.
Hình 1.20 Thử nghiệm thiết bị qua từng buồng nhiệt độ
1.5.6 Ngành công nghiệp hóa chất
Các quá trình hóa học như polyme hóa, hóa lỏng khí và sản xuất hợp chất đặc biệt thường yêu cầu nhiệt độ thấp để đảm bảo hiệu quả và an toàn.
Sử dụng để làm lạnh các nguyên liệu hóa học và kiểm soát nhiệt độ trong một số phản ứng yêu cầu nhiệt độ rất thấp
Sự tiến bộ của công nghệ đã mở ra nhiều cơ hội mới trong ngành hóa dược, với hệ thống lạnh ghép tầng trở thành công nghệ quan trọng trong ứng dụng dược phẩm Trong sản xuất nguyên liệu hóa học cho dược phẩm, nhiều phản ứng tổng hợp yêu cầu điều kiện nhiệt độ thấp để đảm bảo chất lượng sản phẩm cao Điều này đặc biệt quan trọng trong quá trình tổng hợp kháng sinh bán tổng hợp, nơi nhiệt độ của hệ thống phản ứng cần được duy trì ở mức rất thấp, thậm chí xuống đến −60 °C.
CRS đã chứng minh khả năng linh hoạt trong việc đáp ứng các yêu cầu nhiệt độ khắc nghiệt trong ngành dược hóa học Việc duy trì nhiệt độ ổn định ở mức thấp là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất và chất lượng trong quy trình sản xuất.
1.5.7 Cấp đông và bảo quản lạnh Ở Việt Nam ngành đánh bắt thuỷ hải sản đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là trong lĩnh vực đánh bắt cá ngừ Để đảm bảo chất lượng và giữ nguyên giá trị dinh dưỡng của sản phẩm việc sử dụng hệ thống lạnh âm sâu đã trở thành một giải pháp quan trọng trong việc lưu trữ và phân phối thực phẩm đông lạnh và CRS CO2/NH3 là một giải pháp thân thiện với môi trường nhất Đối với bảo quản cá ngừ và các sản phẩm thủy sản khác ở nhiệt độ cực thấp Hệ thống này giúp duy trì nhiệt độ ổn định và thấp, đảm bảo rằng thực phẩm được bảo quản an toàn và không mất đi chất lượng thực hiện ở nhiệt độ từ -
Việc áp dụng hệ thống bảo quản thực phẩm ở nhiệt độ từ 55 đến 60°C không chỉ giúp duy trì giá trị dinh dưỡng mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm khi đến tay người tiêu dùng.
Hình 1.21 Ứng dụng kho lạnh
Xu hướng phát triển và thách thức của máy lạnh ghép tầng
Hệ thống máy lạnh ghép tầng mang lại nhiều lợi ích trong lĩnh vực nhiệt độ lạnh sâu, nhưng cũng đối mặt với nhiều thách thức Việc nhận diện và hiểu rõ các rào cản như giới hạn kỹ thuật, chi phí và công tác bảo trì là rất quan trọng cho các chuyên gia muốn triển khai công nghệ này một cách hiệu quả.
1.6.1.1 Thách thức về mặt kỹ thuật
Một thách thức lớn của hệ thống ghéo tầng là sự phụ thuộc vào các điều kiện vận hành cụ thể, dẫn đến hiệu suất có thể thay đổi đáng kể Các yếu tố như nhiệt độ môi trường và cấu hình máy ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả làm mát Nhiệt độ môi trường cao có thể làm giảm hiệu suất tổng thể, trong khi thiết kế nhiều giai đoạn làm lạnh tăng độ phức tạp của hệ thống Mỗi giai đoạn cần hoạt động tối ưu, vì bất kỳ sự cố nào ở một phần đều có thể tác động tiêu cực đến toàn bộ hệ thống.
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống ghép tầng, việc lựa chọn các thành phần như dàn coil, máy nén và bộ trao đổi nhiệt là rất quan trọng Sự không đồng bộ trong thông số kỹ thuật có thể gây ra hiệu suất vận hành kém Quá trình này thường phức tạp và tốn thời gian, đòi hỏi kiến thức chuyên môn cao.
Việc tích hợp hệ thống làm mát tầng vào cơ sở hạ tầng hiện có gặp nhiều rào cản, đặc biệt là khi nâng cấp các hệ thống cũ bằng công nghệ hiện đại không phải lúc nào cũng khả thi hoặc tiết kiệm chi phí Hiểu rõ các rào cản kỹ thuật này là cần thiết để định hướng kỳ vọng và chiến lược phù hợp khi xem xét lắp đặt hệ thống làm mát tầng.
1.6.1.2 Chi phí và bảo trì bảo dưỡng
Khía cạnh tài chính là một thách thức lớn đối với hệ thống làm mát tầng, với chi phí đầu tư ban đầu cao do cần mua sắm linh kiện tiên tiến và điều chỉnh hạ tầng Các tổ chức thường do dự khi đầu tư số tiền lớn nếu không thấy rõ lợi tức đầu tư.
Chi phí bảo trì liên tục là yếu tố quan trọng cần xem xét Bảo dưỡng định kỳ giúp hệ thống hoạt động hiệu quả, trong khi các bộ phận như máy nén và bộ trao đổi nhiệt có thể bị mài mòn theo thời gian và cần thay thế Điều này dẫn đến chi phí liên tục, làm tăng tổng chi phí sở hữu hệ thống.
Duy trì một đội ngũ kỹ thuật viên có tay nghề cao để quản lý và bảo trì hệ thống làm mát tầng là rất quan trọng Tuy nhiên, có thể gặp tình trạng thiếu hụt nhân lực có kiến thức sâu về công nghệ cascade Để khắc phục, doanh nghiệp cần xem xét việc đào tạo nhân viên hiện có hoặc tuyển dụng nhân lực mới, điều này có thể dẫn đến chi phí phát sinh.
Hệ thống ghép tầng cung cấp giải pháp hiệu quả cho quản lý nhiệt, nhưng người sử dụng cần xem xét kỹ lưỡng các thách thức liên quan Việc khắc phục các giới hạn kỹ thuật và nắm rõ yêu cầu đầu tư tài chính là yếu tố quan trọng để đảm bảo triển khai và vận hành thành công.
Sự phát triển của công nghệ làm lạnh, đặc biệt là lạnh sâu, đang tạo ra ảnh hưởng lớn đến nhiều ngành công nghiệp Việc nắm bắt xu hướng tương lai trong lĩnh vực này là cần thiết cho các chuyên gia nhằm tối ưu hóa hệ thống quản lý nhiệt Các tiến bộ gần đây cho thấy sự chuyển dịch sang hiệu suất cao hơn và tính bền vững với môi trường Đồng thời, việc tích hợp các hệ thống thông minh đang trở thành xu hướng quan trọng, có khả năng thay đổi chiến lược vận hành Những cải tiến này không chỉ là nâng cấp kỹ thuật mà còn giúp giải quyết các thách thức khí hậu toàn cầu và đáp ứng nhu cầu làm mát của từng ngành.
1.6.2.1 Những đổi mới trong công nghệ
Làn sóng đổi mới trong công nghệ ghép tầng đang mang lại nhiều lợi ích và ứng dụng đa dạng, với các hệ thống hiện đại tích hợp khả năng tự động hóa và công nghệ IoT Xu hướng này cho phép thu thập và phân tích dữ liệu theo thời gian thực, hỗ trợ công tác bảo trì dự đoán hiệu quả hơn Hệ thống giám sát thông minh có khả năng phát hiện sớm bất ổn trong quá trình làm mát, giúp giảm thiểu lãng phí năng lượng.
Sự phát triển của các chất làm lạnh tiên tiến, đặc biệt là những chất có tiềm năng gây hiệu ứng nhà kính thấp như R-32, đang trở thành một xu hướng quan trọng Những chất này không chỉ mang lại hiệu quả làm mát cao hơn mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường Việc áp dụng các chất làm lạnh này trong hệ thống làm mát tầng giúp đáp ứng các quy định nghiêm ngặt về khí thải mà vẫn đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Hệ thống thu hồi năng lượng đang ngày càng được chú trọng nhờ khả năng thu lại nhiệt thải và tái sử dụng, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể Việc tích hợp công nghệ này không chỉ giúp giảm chi phí vận hành mà còn nâng cao hình ảnh của tổ chức như những đơn vị tiên phong trong việc sử dụng năng lượng hiệu quả và có trách nhiệm.
Tính bền vững đã trở thành nhu cầu thiết yếu cho các ngành công nghiệp hiện đại Các hệ thống ghép tầng chú trọng đến tác động môi trường mang lại nhiều lợi ích đáng kể Phân tích vòng đời của hệ thống làm mát là yếu tố quan trọng cần xem xét Hiểu rõ cách mà vật liệu và quy trình ảnh hưởng đến môi trường sẽ giúp định hướng lựa chọn các giải pháp bền vững hơn.
Các thiết kế tiết kiệm năng lượng không chỉ giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng mà còn mang lại hiệu quả kinh tế và thân thiện với môi trường Tập trung vào xây dựng các hệ thống làm mát bền vững phù hợp với xu hướng toàn cầu về giảm phát thải carbon Doanh nghiệp ưu tiên công nghệ xanh có khả năng giành lợi thế cạnh tranh, cải thiện hình ảnh thương hiệu và đáp ứng các quy định quốc tế.
Hiểu rõ các xu hướng tương lai và tác động của công nghệ làm mát tầng giúp các chuyên gia quản lý nhiệt hiệu quả hơn, đảm bảo hiệu suất và tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường ngày càng nghiêm ngặt.
1.7 Mục tiêu của đồ án
MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ THIẾT BỊ
Tổng quan về mô hình tính toán
2.1.1 Tổng quan về múc đích và chức năng chính của mô hình thiết bị máy lạnh ghép tầng KTE-5000LT-ENG o Có thể cho một cách nhìn tổng quát về hệ thống thiết bị, lý thuyết về nguyên lý vận hành của các thiết bị chính và phụ trợ của hệ thống làm lạnh ghép tầng o Có thể điều khiển tùy chỉnh thay đổi tùy theo mục đích thực hàn, vận hành mạch cơ bản và mạch ứng dụng của hệ thống làm lạnh ghép tầng. o Trong quá trình vận hành, thiết bị cho phép đo áp suất và nhiệt độ tại từng điểm trạng thái, từ đó vẽ được đồ thị enthalpy–áp suất (P-h diagram) và hiển thị thông số dưới dạng đồ thị và số hóa trên phần mềm trong máy chủ kiểm soát. o Có thể tiến hành thí nghiệm và thực hành kiểm tra so sánh hiệu suất của hệ thống làm lạnh ghép tầng trong quá trình vận hành.
2.1.2 Một vài đặc điểm chính của mô hình thiết bị o Nhiệt độ của buồng bay hơi có thể đạt tới -60℃ đến -70℃ trong vòng 20 phút o Thiết bị thí nghiệm hệ thống làm lạnh ghép tầng sử dụng hai loại môi chất lạnh khác nhau ứng với 2 vòng cao và thấp. o Thực hiện thí nghiệm đặc tính vận hành với hệ thống làm lạnh ghép tầng sử dụng hai loại môi chất lạnh: R-22 vòng áp suất cao và R-23 vòng áp suất thấp o Có thể kiểm tra hoạt động theo sự thay đổi áp suất bay hơi thông qua việc điều chỉnh tải nhiệt bay hơi.
2.1.3 Cách bố trị cụ thể thiết bị trong mô hình hệ thống lạnh
Hình 2.23 Bố cục các thiết bị co trong hệ thống
3 Các cảm biến áp suất
4 Van điện từ cho vòng trên
5 Van điện từ cho vòng dưới
6 Van điện từ ngăn áp suất lên quá cao
10 Ty nạp gas vòng dưới
12 Đồng hồ áp suất thấp
13 Đồng hồ áp suất cao
14 Ty nạp cho vòng trên
15 Bộ điều khiển máy nén
2.1.4 Tổng quan về nguyên lý hoạt động và chức năng thiết bị
Hình 2.24 Sơ đồ hệ thống
Vòng nhiệt độ cao: o Compressor 1 → Condenser → Filter Dryer → Sight Glass → Solenoid Valve 1 → Manual Expansion Valve 1 → Cascade Evaporator → Compressor 1
Vòng nhiệt độ thấp: o Compressor 2 → Auxiliary Heat Exchanger → Cascade Condenser
→ Filter Dryer → Sight Glass → Solenoid Valve 2 → Manual
Mô hình hệ thống làm lạnh bao gồm van mở rộng 2, dàn bay hơi và máy nén 2, cho phép đặc tả hiệu suất làm lạnh, tự động đo lường và thu thập dữ liệu, cùng với chương trình giám sát hệ thống Hệ thống có khả năng đo nhiệt độ tại nhiều vị trí quan trọng như đầu vào và đầu ra của máy nén, bình ngưng, van tiết lưu, dàn bay hơi, bên trong buồng lạnh và không khí bên ngoài, sử dụng cặp nhiệt điện loại K Ngoài ra, hệ thống cũng có khả năng đo áp suất trong khoảng –1 đến 35 bar tại các vị trí tương tự, nhờ vào cảm biến áp suất được lắp đặt.
Các thiết bị chính
Chức năng: Nén môi chất lạnh (gas lạnh) từ áp suất thấp lên áp suất cao.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống bao gồm việc hút hơi môi chất lạnh có áp suất thấp từ dàn bay hơi, sau đó nén hơi này lên áp suất và nhiệt độ cao, và cuối cùng đẩy hơi áp cao vào dàn ngưng.
- Nâng nhiệt độ và áp suất môi chất để chuẩn bị cho quá trình ngưng tụ.
- Máy nén hoạt động như “trái tim” của hệ thống, giúp môi chất luân chuyển liên tục qua các bộ phận.
Hình 2.25 Máy nén cáo áp
Hình 2.26 Máy nén hạ áp
Size : 470(W) × 372(H) × 160(D)mm Motor : AC220V 5-60Hz
Chức năng: Làm mát và ngưng tụ hơi môi chất lạnh từ trạng thái hơi sang trạng thái lỏng
Nguyên lý hoạt động của hệ thống lạnh bắt đầu khi môi chất lạnh có áp suất và nhiệt độ cao từ máy nén được đưa vào dàn ngưng Tại đây, quá trình giải nhiệt diễn ra, giúp gas lạnh mất nhiệt qua không khí hoặc nước Kết quả là môi chất ngưng tụ dần từ trạng thái hơi sang trạng thái lỏng.
- Giảm nhiệt độ môi chất lạnh: Giúp môi chất chuyển từ khí sang lỏng, sẵn sàng cho chu trình tiếp theo.
- Duy trì chu trình lạnh liên tục: Là mắt xích cần thiết giữa máy nén và van tiết lưu/dàn bay hơi
- Bảo vệ thiết bị: Nếu không ngưng tụ tốt, áp suất hệ thống tăng, có thể gây hư hỏng máy nén hoặc rò rỉ đường ống.
Chức năng: Giảm áp suất và nhiệt độ của môi chất lạnh trước khi vào dàn bay hơi.
- Van điều chỉnh dòng chảy của môi chất lỏng áp suất cao từ dàn ngưng.
- Khi môi chất đi qua lỗ nhỏ của van, áp suất giảm đột ngột.
- Một phần môi chất lỏng hóa hơi nhanh chóng (hiện tượng giãn nở), làm hạ nhiệt độ.
Mục đích của môi chất là chuyển đổi thành hỗn hợp hơi - lỏng ở nhiệt độ thấp khi đi vào dàn bay hơi Van điều chỉnh lưu lượng môi chất lạnh vào dàn bay hơi, đảm bảo cung cấp lượng vừa đủ để hấp thụ nhiệt hiệu quả trong quá trình bay hơi.
Hình 2.27 Dàn ngưng giải nhiệt gió
4 Bộ trao đổi nhiệt giữa 2 tầng
Hình 2.29 Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm
Bộ trao đổi nhiệt đóng vai trò quan trọng trong hệ thống, nằm giữa hai chu trình tầng cao và tầng thấp Nó hoạt động như dàn bay hơi cho tầng cao và đồng thời là dàn ngưng cho tầng thấp.
Nguyên lý hoạt động: a Tầng thấp
Môi chất lạnh sau khi nén sẽ đi vào bộ trao đổi nhiệt, nơi nó được làm lạnh và ngưng tụ thành dạng lỏng Quá trình này cho phép môi chất lạnh ở tầng cao hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh.
Sau đó, môi chất đi qua van tiết lưu
→ vào dàn bay hơi tầng thấp → tạo ra nhiệt độ rất thấp. b Tầng cao
Môi chất lạnh sau khi được giảm áp sẽ bay hơi trong bộ trao đổi nhiệt, hấp thụ nhiệt từ phía tầng thấp.
Loại ống có cánh tản nhiệt (Fin Tube), làm mát bằng không khí
Khoảng cách cánh (Fin pitch): 2.5mm Đường kính 3/8″ × 7 bậc (step) × 3 hàng (row) × 165
Chức năng: Hấp thụ nhiệt từ môi trường cần làm lạnh.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống là môi chất lạnh với nhiệt độ thấp đi qua dàn bay hơi, nơi nó hấp thụ nhiệt từ không khí hoặc chất lỏng xung quanh Quá trình này dẫn đến việc môi chất sôi và hóa hơi hoàn toàn.
Mục đích: Nhiệt từ môi trường bị lấy đi → làm lạnh không khí hoặc chất lỏng → môi chất lại trở thành hơi áp thấp → quay lại máy nén.
Các thiết bị phụ
Chức năng của thiết bị này là kết nối đồng hồ nạp gas (manifold gauge) để thực hiện các thao tác kiểm tra độ kín, hút chân không, và nạp hoặc chuyển môi chất lạnh trong hệ thống lạnh tiêu chuẩn.
- Khi không kết nối manifold:
Van lò xo giữ ở trạng thái đóng, ngăn không cho môi chất lạnh rò rỉ ra ngoài.
- Khi nạp gas: Môi chất từ bình gas đi qua manifold → qua ty nạp vào hệ thống lạnh.
Mục đích: Hệ thống có thể thực hiện các thao tác kỹ thuật như nạp gas, hút chân không và kiểm tra áp suất
Hình 2.32 Bình chứa cao áp
Bình chứa có chức năng lưu trữ môi chất lạnh dạng lỏng sau khi ngưng tụ, trước khi được đưa đến van tiết lưu Nó đảm bảo rằng chỉ có môi chất ở thể lỏng được cấp đến van tiết lưu, đồng thời giúp giải phóng bề mặt trao đổi nhiệt.
Mục đích của việc ổn định chu trình làm lạnh là đảm bảo cung cấp đúng lượng môi chất lỏng cho van tiết lưu, đồng thời hỗ trợ thu hồi môi chất khi cần sửa chữa hệ thống.
Chức năng của thiết bị là loại bỏ độ ẩm và tạp chất trong môi chất lạnh, bảo vệ các bộ phận của hệ thống lạnh, đặc biệt là van tiết lưu và máy nén, nhằm ngăn chặn hiện tượng tắc ẩm và ăn mòn.
Phin sấy lọc được lắp đặt trên đường lỏng, giữa bình chứa cao áp và van tiết lưu, có chức năng hấp thụ hơi nước trong môi chất lạnh nhờ các phần tử hút ẩm như silica gel hoặc zeolite Đồng thời, lớp lọc cơ học bên trong phin giữ lại các tạp chất rắn như cặn bẩn, vụn kim loại và hạt oxit, đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Mục đích của việc duy trì môi chất lạnh sạch và khô là để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và bền bỉ, đồng thời ngăn ngừa các sự cố như tắc nghẽn, ăn mòn hoặc hư hỏng linh kiện.
Chức năng của thiết bị này là kiểm tra và xác nhận lượng môi chất lạnh được nạp vào hệ thống, từ đó giúp xác định xem môi chất lạnh đã được nạp đủ hay chưa.
Mắt gas được lắp giữa bình chứa cao áp và van tiết lưu trong hệ thống lạnh Khi môi chất lạnh lưu thông, nếu lượng gas nạp đủ, mắt gas sẽ hiển thị dòng môi chất lạnh hoàn toàn ở dạng lỏng, không có bọt khí.
Mục đích của việc xác định chính xác lượng môi chất lạnh trong hệ thống là để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả, đồng thời tránh tình trạng thiếu hoặc thừa gas.
Chức năng: Điều khiển dòng chảy của môi chất lạnh qua ống dẫn chính, mở hoặc đóng tùy thuộc vào tín hiệu điện vào
Van điện từ được kết nối với công tắc nhiệt độ theo mạch nối tiếp, giúp điều khiển việc mở hoặc đóng van điện từ khi công tắc nhiệt độ đóng hoặc mở Điều này cho phép kiểm soát dòng chảy của môi chất lạnh Trong quá trình pump-down, van điện từ mở khi công tắc nhiệt độ mở và đóng khi công tắc nhiệt độ đóng, giúp di chuyển môi chất lạnh về phía bình chứa và tách riêng các phần tử trong hệ thống để dễ dàng bảo trì.
Van điện từ có vai trò quan trọng trong việc điều khiển dòng chảy của môi chất lạnh trong hệ thống, giúp thực hiện quá trình bơm hút (pump-down) và điều chỉnh lưu lượng môi chất lạnh theo yêu cầu của hệ thống.
6 Đồng hồ áp suất cao
Hình 2.37 Đồng hồ đo áp suất đầu đẩy máy nén
Cảm biến áp suất môi chất lạnh được sử dụng để đo áp suất ở phía sau máy nén, giúp theo dõi áp suất trong hệ thống làm lạnh, đặc biệt là tại phần cao áp của hệ thống.
Đồng hồ áp suất cao được lắp đặt sau máy nén để đo áp suất của môi chất lạnh sau khi đã được nén và đẩy qua dàn ngưng, đảm bảo hoạt động trong điều kiện an toàn.
Mục đích của việc theo dõi và điều chỉnh áp suất cao của môi chất lạnh trong hệ thống là để đảm bảo hoạt động ổn định của máy nén và các bộ phận liên quan.
7 Đồng hồ áp suất thấp
Hình 2.38 Đồng hồ đo áp suất đầu hút máy nén
Chức năng: Dùng để đo áp suất môi chất lạnh ở phía trước máy nén (đầu hút), giúp theo dõi áp suất tại khu vực thấp áp trong hệ thống.
Đồng hồ áp suất thấp được lắp đặt trước máy nén để đo áp suất của môi chất lạnh ở thể hơi và áp suất thấp trước khi vào máy nén.
Hệ thống điều khiển
6 Bộ điều khiển nhiệt độ
9 Bảng hiển thị nhiệt độ
10 Rơ le áp suất cao
SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN:
11 Rơ le áp suất thấp
12 Cảm biến nhiệt điện từ
13 Nguồn cấp cho hệt thống
16 Rơ le áp suất cao
17 Nguồn cho động lực và điều khiển
TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM EES VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Tổng quan về phần mềm EES
Tên phần mềm: Engineering Equation Solver (EES)
Phần mềm EES (Engineering Equation Solver) là một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt, được sử dụng phổ biến trong ngành kỹ thuật nhiệt Nó hỗ trợ giải quyết các bài toán phức tạp liên quan đến nhiệt động lực học và truyền nhiệt, giúp tính toán các thông số và tạo ra đồ thị, biểu đồ để phân tích kết quả.
Phần mềm EES có những ưu điểm nổi bật sau:
Giải các phương trình: EES có khả năng giải các phương trình phức tạp, bao gồm cả các phương trình phi tuyến tính và các hệ phương trình
EES cung cấp một cơ sở dữ liệu phong phú về tính chất nhiệt động lực học và vận chuyển của hàng trăm chất khác nhau, giúp người dùng dễ dàng truy cập và sử dụng các thông số cần thiết cho các bài toán.
EES sở hữu giao diện thân thiện và trực quan, cho phép người dùng dễ dàng nhập dữ liệu, định nghĩa phương trình và phân tích kết quả một cách hiệu quả.
Tích hợp với các phần mềm khác: EES có thể được tích hợp với các phần mềm khác như Excel để xuất dữ liệu và tạo các báo cáo
3.1.2 Ứng dụng và vai trò đối với nghành nhiệt
Giải quyết bài toán nhiệt động lực học:
EES cung cấp công cụ mạnh mẽ để phân tích các chu trình nhiệt động như Rankine, Carnot, Brayton, chu trình máy lạnh và bơm nhiệt.
Hỗ trợ tính toán các thông số như enthalpy (h), entropy (s), áp suất (P), nhiệt độ (T), hiệu suất (COP), và tổn thất năng lượng.
Phân tích các quá trình trao đổi nhiệt (dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ).
Tính toán thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt như dàn ngưng tụ, dàn bay hơi, và bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm.
Tối ưu hóa hệ thống kỹ thuật:
Tìm kiếm giá trị tối ưu cho các thông số vận hành là cần thiết để nâng cao hiệu quả năng lượng, giảm tiêu thụ năng lượng và giảm chi phí vận hành Hệ thống EES được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật nhiệt.
• Tính toán các thông số của hệ thống nhiệt động lực học (ví dụ: động cơ, tua bin, lò hơi)
• Phân tích các quá trình truyền nhiệt (ví dụ: trao đổi nhiệt, bức xạ)
• Thiết kế các hệ thống làm lạnh và điều hòa không khí
• Tính toán các quá trình hóa học và nhiệt động lực học
• Tính toán, mô phỏng, đánh giá, thử nghiệm các chu trình và hệ thống lý thuyết
Phần mềm EES là công cụ thiết yếu cho sinh viên, kỹ sư và nhà khoa học trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt, giúp giải quyết nhanh chóng và chính xác các bài toán phức tạp Nó còn cung cấp các công cụ phân tích mạnh mẽ, hỗ trợ đưa ra quyết định kỹ thuật hiệu quả.
3.1.3 Lí do chọn phần mềm EES để mô phỏng đồ án máy lạnh ghép tầng
Cơ sở dữ liệu nhiệt động phong phú:
EES tích hợp cơ sở dữ liệu của các môi chất làm việc phổ biến trong hệ thống máy lạnh ghép tầng, chẳng hạn như R22, R134a, R744 (CO2), và NH3.
Điều này giúp xác định dễ dàng trạng thái nhiệt động lực học của môi chất trong từng giai đoạn của chu trình ghép tầng, bao gồm bay hơi, nén, ngưng tụ và hồi nhiệt.
Khả năng giải hệ phương trình phức tạp:
Hệ thống máy lạnh ghép tầng cần giải quyết các phương trình phi tuyến để đạt được cân bằng năng lượng, nhiệt độ và áp suất giữa các tầng.
EES tự động sắp xếp và giải các phương trình này, giảm thời gian tính toán thủ công và tránh sai sót.
Phân tích và tối ưu hóa hiệu suất:
EES cho phép tính toán hệ số hiệu suất (COP) của hệ thống, phân tích tổn thất năng lượng và đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào như nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ và áp suất môi chất đến hiệu quả năng lượng.
Trực quan hóa kết quả:
Kết quả mô phỏng được thể hiện qua các đồ thị như P-h, T-s, hoặc đồ thị hiệu suất, giúp đánh giá hiệu quả của hệ thống một cách rõ ràng hơn.
CODE EES sử dụng để mô phỏng hệ thống máy lạnh ghép tầng
Dưới đây là đoạn mã do tôi tự tay lập trình bằng phần mềm EES, mô tả quá trình tính toán các thông số nhiệt động lực học cho hai tầng cao và thấp trong hệ thống máy lạnh ghép tầng Mã này giúp xác định các trạng thái nhiệt động tại các giai đoạn quan trọng như bay hơi, nén và ngưng tụ, đồng thời tính toán các đại lượng như enthalpy (h), entropy (s), áp suất (P) và hệ số hiệu suất (COP) Các phương trình và biến số được xây dựng dựa trên dữ liệu môi chất từ cơ sở dữ liệu tích hợp trong EES.
Trước khi trình bày đoạn code dưới đây, tất cả các ký hiệu được sử dụng trong đoạn code đã được chú thích chi tiết ở phụ lục cuối đồ án.
T_inter = sqrt(abs((273+T_con)*(273+T_eva))) - 273 [C] T_cas_con = T_inter + 5 [C]
T_cas_eva = T_inter - 5 [C] m_HTC = 0.005 [kg/s]
T_supperheat = 0 [C] Đoạn code đầu vào cho phép người mô phỏng tùy chỉnh tất cả các biến theo ý muốn, nhằm đạt được kết quả trực quan và chính xác nhất.
IF T_subcool = 0 THEN h[4] = Enthalpy(r404a, T=T_con, x=0) s[4] = Entropy(r404a, T=T_con, x=0)
T[10] = T_cas_eva h[10] = Enthalpy(r404a, T=T_cas_eva, x=1) T[2] = T_cas_eva + T_supperheat
IF T_supperheat = 0 THEN h[2] = Enthalpy(r404a, T=T_cas_eva, x=1) s[2] = Entropy(r404a, T=T_cas_eva, x=1)
{COP_HTC} cop_cycle_hc = ((h[10]-h[1])/(h[3]-h[2]))
T[12] = T_cas_con h[12] = Enthalpy(r507a, T=T_cas_con, x=0) T[5] = T_cas_con - T_subcool
IF T_subcool = 0 THEN h[5] = Enthalpy(r507a, T=T_cas_con, x=0) s[5] = Entropy(r507a, T=T_cas_con, x=0)
IF T_supperheat = 0 THEN h[7] = Enthalpy(r507a, T=T_eva, x=1) s[7] = Entropy(r507a, T=T_eva, x=1)
{COP_LTC} cop_cycle_LC = ((h[9]-h[6])/(h[8]-h[7]))
{total_cop} cop_total (cop_cycle_LC*cop_cycle_HC)/(1+cop_cycle_LC+cop_cycle_ HC)
Để dễ dàng theo dõi và đối chiếu các điểm trong đoạn code với chu trình và thiết bị, tôi đã cung cấp đồ thị và sơ đồ bố trí các điểm nút trong chu trình.
Hình 3.43 Đồ thị logp-h mô tả điểm nút chu trình
Hình 3.44 Các điểm nút trên mô hình thiết bị
Đánh giá và so sánh kết quả mô phỏng
Trong bối cảnh nhu cầu làm lạnh sâu ngày càng tăng trong các lĩnh vực như bảo quản thực phẩm, y tế và công nghiệp hóa chất, hệ thống máy lạnh ghép tầng (Cascade Refrigeration System) nổi bật như một giải pháp hiệu quả nhờ khả năng hoạt động ổn định ở nhiệt độ rất thấp Việc sử dụng phần mềm Engineering Equation Solver (EES) để mô phỏng hệ thống này giúp các nhà nghiên cứu kiểm tra và tối ưu hóa hiệu suất mà không cần thực hiện các thử nghiệm thực tế tốn kém và phức tạp.
Kết quả mô phỏng chỉ có giá trị khi được đánh giá một cách toàn diện và hệ thống Việc đánh giá và so sánh các kết quả giúp xác định độ chính xác và độ tin cậy của mô hình, đồng thời làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống Từ đó, có thể đưa ra các cải tiến về thiết kế và lựa chọn thông số vận hành tối ưu, nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng, giảm chi phí vận hành và đảm bảo tính bền vững trong ứng dụng thực tiễn.
Bằng cách so sánh các cấu hình và điều kiện vận hành khác nhau, nghiên cứu có thể đưa ra những khuyến nghị thiết thực cho việc lựa chọn môi chất lạnh, nhiệt độ chuyển tầng và các thông số kỹ thuật khác, nhằm nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống máy lạnh ghép tầng.
3.3.1 Tổng quan về các yếu tố cần xem xét khi tiến hành mô phỏng và đánh giá
Các yếu tố cần xem xét khi mô phỏng qua EES:
• Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ đến hiệu suất hệ thống.
• Đánh giá ảnh hưởng của độ quá lạnh tại bình ngưng.
• Đánh giá ảnh hưởng của độ quá nhiệt tại dàn bay hơi.
• Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ trung gian trong hệ thống ghép tầng.
• Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi đến khả năng làm lạnh và COP.
• Phân tích ảnh hưởng của việc lựa chọn môi chất lạnh cho tầng cao áp.
• Phân tích ảnh hưởng của việc lựa chọn môi chất lạnh cho tầng thấp áp.
• Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi tầng cao áp đến hiệu quả hệ thống.
• Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ tầng thấp áp đến hiệu suất vận hành.
• So sánh hiệu quả năng lượng (COP) giữa các cặp môi chất lạnh khác nhau.
3.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ T_con
Nhiệt độ ngưng tụ chịu ảnh hưởng từ các điều kiện môi trường như nhiệt độ ngoài trời và nước làm mát, điều này tác động trực tiếp đến áp suất ngưng tụ, công nén và hiệu suất của hệ thống Vì vậy, việc đánh giá yếu tố này là cần thiết để tối ưu hóa thiết kế và vận hành của hệ thống máy lạnh ghép tầng.
Hình 3.45 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ đến COP 2 tầng trường hợp [1]
T subcool = 0 [C] cop cy cle,HC cop cy cle,HC cop cy cle,LC cop cy cle,LC
COP cy cl e, H C COP cy cl e, L C
Hình 3.46 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ đến COP 2 tầng trường hợp [2]
T subcool = 5 [C] cop cy cle,HC cop cy cle,HC cop cy cle,LC cop cy cle,LC
COP cy cl e, H C COP cy cl e, L C
Hình 3.47 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ đến COP 2 tầng trường hợp [3]
Hình 3.48 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ đến COP toàn hệ thống trong 3 trường hợp lần lượt [1], [2], [3] Đánh giá kết quả:
Tất cả các biểu đồ đều cho thấy COP giảm khi nhiệt độ ngưng tụ tăng, điều này hợp lý vì công nén cần thiết cho máy nén tăng trong khi năng suất lạnh giữ nguyên, dẫn đến hiệu quả năng lượng giảm Mặc dù việc tăng độ quá nhiệt và quá lạnh có thể cải thiện một chút hiệu quả hệ thống, nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn sự suy giảm này Để đạt được COP tối ưu, cần cân nhắc tối ưu hóa các thông số vận hành như T_con, Teva, T_subcool và T_superheat, tùy thuộc vào điều kiện hoạt động cụ thể của hệ thống.
3.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi T_eva
Nhiệt độ bay hơi tầng dưới trong hệ thống máy lạnh ghép tầng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất làm lạnh, đặc biệt trong các ứng dụng như kho lạnh, buồng đông sâu và thiết bị bảo quản y tế Thông số này liên quan đến mức độ thấp của nhiệt độ môi chất lạnh tại dàn bay hơi, từ đó tác động đến áp suất bay hơi, công nén và tải lạnh Ngoài ra, nhiệt độ bay hơi còn bị ảnh hưởng bởi tải nhiệt, điều kiện cách nhiệt và sự ổn định của nhiệt độ yêu cầu Do đó, việc đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi là cần thiết để lựa chọn cấu hình vận hành phù hợp, đảm bảo hiệu quả năng lượng và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.
Hình 3.49 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi đến COP 2 tầng trường hợp [1]
Hình 3.50 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi đến COP 2 tầng trong trường hợp [2]
Hình 3.51 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi đến COP 2 tầng rường hợp [3]
Hình 3.52 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi đến COP toàn hệ thống trong 3 trường hợp lần lượt [1], [2], [3] Đánh giá kết quả:
Kết quả mô phỏng cho thấy khi nhiệt độ bay hơi T_eva tăng, hệ số hiệu quả COP của hệ thống lạnh ghép tầng cũng tăng lên Sự gia tăng này là hợp lý, vì nhiệt độ bay hơi cao hơn làm giảm chênh lệch áp suất nén, dẫn đến giảm công nén cần thiết và tăng năng suất lạnh.
T_subcool và T_superheat đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hệ số hiệu suất (COP), với COP tổng trong trường hợp [3] cao hơn so với các trường hợp không có độ quá lạnh và quá nhiệt Xu hướng tăng COP khi T_eva tăng vẫn được duy trì trong tất cả các trường hợp, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tối ưu hóa T_eva để nâng cao hiệu quả của hệ thống.
3.3.4 Ảnh hưởng của độ quá lạnh T_subcool Độ quá lạnh là mức nhiệt độ mà môi chất lạnh được làm mát thấp hơn nhiệt độ ngưng tụ tại đầu ra của bình ngưng, nhằm tăng hiệu quả làm lạnh trong quá trình bay hơi Việc điều chỉnh độ quá lạnh ảnh hưởng trực tiếp đến enthalpy đầu vào dàn bay hơi, từ đó làm thay đổi tải lạnh, công nén và hiệu suất của hệ thống. Trong hệ thống máy lạnh ghép tầng, độ quá lạnh còn góp phần hạn chế sự tồn tại của môi chất ở trạng thái hơi trong ống lỏng, giúp nâng cao độ tin cậy và ổn định khi vận hành Vì vậy, việc đánh giá ảnh hưởng của độ quá lạnh là cần thiết để tối ưu hiệu quả năng lượng và đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Hình 3.53 Ảnh hưởng của độ quá lạnh đến COP 2 tầng trường hợp [1]
Hình 3.54 Ảnh hưởng của độ quá lạnh đến COP 2 tầng trường hợp [2]
Hình 3.55 Ảnh hưởng của độ quá lạnh đến COP 2 tầng trường hợp [3]
Hình 3.56 Ảnh hưởng của độ quá lạnh đến COP toàn hệ thống trong 3 trường hợp lần lượt [1], [2], [3] Đánh giá kết quả:
3.3.5 Ảnh hưởng của độ quá nhiệt T_supperheat Độ quá nhiệt là phần nhiệt độ tăng thêm của môi chất lạnh sau khi hoàn toàn bay hơi, thường được tạo ra tại dàn bay hơi nhằm đảm bảo chỉ hơi khô đi vào máy nén Trong hệ thống máy lạnh ghép tầng, độ quá nhiệt ảnh hưởng đến enthalpy đầu vào máy nén, làm thay đổi công nén và hiệu suất (COP) của hệ thống Mức quá nhiệt cao có thể giúp bảo vệ máy nén khỏi rủi ro hút phải lỏng, nhưng cũng làm tăng công nén và giảm hiệu quả năng lượng Ngược lại, nếu độ quá nhiệt quá thấp, nguy cơ tổn hại máy nén tăng lên Do đó, việc đánh giá ảnh hưởng của độ quá nhiệt là cần thiết để cân bằng giữa hiệu suất và độ an toàn khi vận hành hệ thống.
Hình 3.57 Ảnh hưởng của độ quá nhiệt đến COP 2 tầng trường hợp [1]
Hình 3.58 Ảnh hưởng của độ quá nhiệt đến COP 2 tầng trường hợp [2]
Hình 3.59 Ảnh hưởng của độ quá nhiệt đến COP 2 tầng trường hợp [3]
Hình 3.60 Ảnh hưởng của độ quá nhiệt đến COP toàn hệ thống trong 3 trường hợp lần lượt [1], [2], [3] Đánh giá kết quả:
3.3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi tầng trên T_cas_eva
Nhiệt độ bay hơi tầng trên trong hệ thống máy lạnh ghép tầng ảnh hưởng trực tiếp đến truyền nhiệt giữa hai tầng, áp suất bay hơi, công nén và hiệu suất chung Nếu nhiệt độ bay hơi tầng trên quá cao, quá trình ngưng tụ ở tầng dưới sẽ không hiệu quả; ngược lại, nếu quá thấp, công nén sẽ tăng, làm giảm COP hệ thống Do đó, việc đánh giá nhiệt độ bay hơi tầng trên là cần thiết để tối ưu hiệu quả vận hành và tiết kiệm năng lượng.
Hình 3.61 Hiệu nhiệt độ nhỏ nhất để đạt hiệu quả truyền nhiệt
Theo tài liệu, để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình truyền nhiệt giữa dòng môi chất ngưng tụ ở tầng dưới và bay hơi ở tầng trên, hiệu nhiệt độ nhỏ nhất cần đạt được là ít nhất 3 độ C.
Theo tài liệu, người ta thường chọn độ chênh lệch giữa nhiệt độ ngưng tụ ở tầng dưới và nhiệt độ bay hơi ở tầng trên là 10 °C Kết quả mô phỏng dưới đây sẽ dựa trên điều kiện này.
T_cas_con = T_cas_eva + Δ t ( = 10 o C ) PT 12
Hình 3.62 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi tầng trên đến COP 2 tầng trương hợp [1]
Hình 3.63 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi tầng trên đến COP 2 tầng trương hợp [2]
Hình 3.64 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi tầng trên đến COP 2 tầng trương hợp [3]
Hình 3.65 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi tầng trên đến COP toàn hệ thống trong 3 trường hợp lần lượt [1], [2], [3] Đánh giá kết quả:
3.3.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ tầng dưới T_cas_con
Nhiệt độ ngưng tụ tầng dưới trong hệ thống máy lạnh ghép tầng ảnh hưởng trực tiếp đến áp suất ngưng tụ, khả năng truyền nhiệt với môi chất tầng trên, công nén và hiệu suất của tầng dưới Nhiệt độ ngưng tụ quá cao sẽ làm giảm hiệu quả ngưng tụ, tăng áp suất và dẫn đến công nén lớn, giảm COP Ngược lại, nếu nhiệt độ quá thấp, quá trình trao đổi nhiệt với tầng trên có thể không đạt yêu cầu Do đó, việc đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ tầng dưới là cần thiết để đảm bảo cân bằng nhiệt giữa hai tầng và tối ưu hóa hiệu suất toàn hệ thống.
Tương tự như mục 3.3.6 trên kết quả mô phỏng dưới đây sẽ dựa theo điều kiện:
T_cas_eva = T_cas_con - Δ t ( = 10 o C ) PT 13
Hình 3.66 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ tầng dưới đến COP 2 tầng trường hợp [1]
Hình 3.67 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ tầng dưới đến COP 2 tầng trương hợp [2]
Hình 3.68 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ tầng dưới đến COP 2 tầng trường hợp [3]
Hình 3.69 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ tầng dưới đến COP toàn hệ thống trong 3 trường hợp lần lượt [1], [2], [3] Đánh giá kết quả:
3.3.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ trung gian T_inter
Nhiệt độ trung gian trong hệ thống máy lạnh ghép tầng là nhiệt độ tại bình trung gian, nơi diễn ra quá trình trao đổi nhiệt giữa hai tầng cao áp và thấp áp Thông số này rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến áp suất bay hơi và ngưng tụ, công nén, cũng như hiệu suất tổng thể của hệ thống Việc chọn nhiệt độ trung gian không phù hợp có thể làm tăng công tiêu thụ và giảm hiệu quả năng lượng Do đó, đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ trung gian là cần thiết để xác định giá trị tối ưu, giúp hệ thống vận hành ổn định và đạt hiệu suất cao nhất.
3.3.8.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ trung gian thực tế
