Nghiên cứu thực nghiệm thay thế môi chất r22 bằng môi chất r404a, môi chất propane và môi chất iso butane thân thiện môi trường cho hệ thống lạnh thương nghiệp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐÀO HUY TUẤN

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM THAY THẾ MÔI CHẤT R22
BẰNG MÔI CHẤT R404A, MÔI CHẤT PROPANE VÀ
MÔI CHẤT ISO-BUTANE THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNG
CHO HỆ THỐNG LẠNH THƯƠNG NGHIỆP

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ NHIỆT
Mã số: 11060423

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2012


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: ...TS. NGUYỂN THẾ BẢO....................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: ........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: ........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày.. . . . tháng . . . . năm. . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1.............................................................

2.............................................................
3............................................................
4.............................................................
5.............................................................

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: ĐÀO HUY TUẤN ........................................ MSHV:11060423 ...........
Ngày, tháng, năm sinh: 15/10/1981 ......................................... Nơi sinh: Hà Nội ............
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ NHIỆT .................................... Mã số : 11060423 .........
I. TÊN ĐỀ TÀI: ............................................................................................................
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM THAY THẾ MÔI CHẤT R22 BẰNG MÔI CHẤT
R404A, MÔI CHẤT PROPANE VÀ MÔI CHẤT ISO-BUTANE THÂN THIỆN MÔI
TRƯỜNG CHO HỆ THỐNG LẠNH THƯƠNG NGHIỆP.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: .................................................................................
- Nghiên cứu lý thuyết về các mơi chất lạnh.
- Tính tốn thiết kế chế tạo mơ hình hệ thống lạnh thương nghiệp.

- Tiến hành thí nghiệm hệ thống với các môi chất lạnh R22,R404a, R290, R600a
- Phân tích, so sánh, đánh giá.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012 ...............................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2012 ................................................
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):TS.NGUYỄN THẾ BẢO
........................................................................................................................................

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Luận văn thạc sĩ

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn các tập thể, cá nhân đã giúp đỡ để hoàn thành quyển
luận này:
- Thầy TS.Nguyễn Thế Bảo đã tận tình hướng dẫn, cũng như thầy chủ nhiệm bộ
mơn GS.TS. Lê Chí Hiệp và các thầy cơ rất nhiệt tình trong việc giảng dạy cho tác giả
trong thời gian qua.
- ThS. Nguyễn Duy Tuệ giảng viên trường Đại Học Tôn Đức Thắng.
- Các cán bộ, thầy cô Trường Cao Đẳng Nghề Giao Thông Vận Tải – TW III và các

bạn đồng nghiệp đã nhiệt tình trao đổi, đóng góp ý và cung cấp thơng tin tư liệu giúp tác
giả hoàn thiện luận văn này.

Tác giả

Đào Huy Tuấn

HVTH: ĐÀO HUY TUẤN


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Luận văn thạc sĩ

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Công nghệ lạnh được sử dụng trong rất nhiều trong thời đại hiện nay. Những ứng
dụng quan trọng của nó chúng ta khơng thể nào chối cãi được. Thế nhưng, song song với
những lợi ích của nó đem lại là những rắc rối nảy sinh làm ảnh hưởng đến môi trường
sinh thái mà con người đang sinh sống, chẳng hạn như : tầng Ozon bị phá hủy, nhiệt độ
trái đất tăng lên gây biết bao thảm họa cho con người. Để góp phần làm giảm những vấn
đề về mơi trường liên quan đến mơi chất lạnh nói trên thì trong luận văn của em sẽ tiến
hành nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm việc thay thế môi chất R22 (CClHFl2), một loại
môi chất làm phá hủy tầng Ozon và nhiệt độ trái đất tăng lên sẽ được loại bỏ vào năm
2020, bằng những loại môi chất thân thiện với môi trường là : R404a, Propan (R290),
Iso-Butan (R600a). Việc tiến hành nghiên cứu với mục đích so sánh tính chất nhiệt động
để tìm ra hướng khả thi trong việc ứng dụng trong thực tế hiện tại phù hợp với điều kiện
của Việt Nam. Trong số đó, mơi chất mà nước ta hồn tồn có thể tự sản xuất được là
R290 là mơi chất có tính chất nhiệt động gần với R22 và cho ta một kết quả rất khả quan
cho việc thay thế R22

ABTRACT
Refrigerant system is broadly applied in several areas currently. Their importances
we can’t deny. However, beside it’s convenience, there are a lot of problems appearing
impact on our living environment such as: Ozon depletion, global warming that create a
lot of disaster for our life. To contribute for solving those problems, I researched theories,
also to conduct experiments for R22 replacement by using friendly environment
refrigerant as: R404a, R290, R600a. My research purpose comparing different
refrigerants to find out the one that has compatible thermodynamic property to apply in
Viet nam’s condition. Among those, the refrigerant that we can produce ourselves is
R290 having same thermodynamic property with R22, and also achieve a good result for
R22 replacement.

HVTH: ĐÀO HUY TUẤN


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Luận văn thạc sĩ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những phần tính tốn và trình bày trong luận văn này là của riêng
tôi và chưa từng được công bố trong bất kỳ tài liệu của bất kỳ tác giả nào khác.

Tác giả

Đào Huy Tuấn

HVTH: ĐÀO HUY TUẤN

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Luận văn thạc sĩ

MỤC LỤC

Lời nói đầu..................................................................................................... 01
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÔI CHẤT LẠNH VÀ VẤN ĐỀ ẢNH
HƯỞNG MƠI TRƯỜNG.
1.1 Tổng quan ........................................................................................... 02
1.2 Mơi chất lạnh và vấn đề suy giảm tầng ozone ................................... 02
1.3 Hiệu ứng nhà kính và hiện tượng gia tăng ....................................... 05
nhiệt độ của bầu khí quyển
1.4 Các thỏa thuận quốc tế....................................................................... 06
1.5 Các loại môi chất lạnh ....................................................................... 07
1.5.1 Môi chất lạnh loại CFC ............................................................. 07
1.5.2 Môi chất lạnh loại HCFC .......................................................... 08
1.5.3 Môi chất lạnh loại HFC ............................................................. 09
1.5.4 Mơi chất lạnh loại hịa trộn ....................................................... 10
1.5.5 Mơi chất lạnh loại thiên nhiên................................................... 10
1.5.6 Đặc điểm, tính chất một số môi chất lạnh tiêu biểu ................. 11
CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO VỀ CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU MƠI
CHẤT LẠNH HỖN HỢP HYDROCACBON
2.1 Tình hình nghiên cứu ......................................................................... 14
2.2 Yêu cầu thực tiễn của đề tài ............................................................... 16
2.3 Nội dung nghiên cứu........................................................................... 16
2.4 Phương pháp nghiên cứu ................................................................... 16
2.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................... 17
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG LẠNH
THƯƠNG NGHIỆP CỠ NHỎ SỬ DỤNG MÔI CHẤT LẠNH R22

HVTH: ĐÀO HUY TUẤN


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Luận văn thạc sĩ

3.1 Tính tốn nhiệt HTL thương nghiệp. ................................................ 18
3.2 Công suất lạnh yêu cầu của máy nén ................................................ 22
3.3 Các thông số môi chất......................................................................... 22
3.4 Tính tốn chu trình lạnh .................................................................... 23
3.5 So sánh lý thuyết của môi chất lạnh .................................................. 28
3.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh thương nghiệp .................................. 32
3.7 Chọn máy nén và van tiết lưu ............................................................ 32
3.8 Tính tốn thiết bị bay hơi ................................................................... 33
3.9 Tính tốn thiết bị ngưng tụ ................................................................ 40
3.10 Chọn thiết bị bay hơi và thiết bị ngưng tụ. ..................................... 45
3.11 Thiết kế hệ thống điện cho hệ thống lạnh thương nghiệp .............. 46
3.12 Lập trình Matlap kiểm tra thiết bị trao đổi nhiệt ........................... 49

CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO MƠ HÌNH HỆ THỐNG LẠNH THƯƠNG NGHIỆP
CỠ NHỎ SỬ DỤNG MÔI CHẤT LẠNH R22
4.1 Chuẩn bị vật tư. .................................................................................. 53
4.1.1 Vật tư dùng cho thi công phần khung đỡ ................................. 53
4.1.2 Vật tư dùng cho thi công phần buồng lạnh thương nghiệp ..... 53
4.1.3 Vật tư dùng cho thi công phần đường ống ............................... 53
vận chuyển môi chất lạnh.
4.1.4 Vật tư dùng cho thi công phần hệ thống lạnh........................... 54
4.1.5 Vật tư dùng cho tủ điện ............................................................. 58
4.2 Chuẩn bị dụng cụ thi công ................................................................. 59

4.3 Tiến hành thi cơng .............................................................................. 60
4.4 Thử kín ................................................................................................ 63
4.5 Hút chân không và nạp môi chất lạnh ............................................... 64
CHƯƠNG 5:VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG LẠNH
VỚI CÁC MÔI CHẤT LẠNH R22, R404A, PROPANE VÀ ISO-BUTANE
HVTH: ĐÀO HUY TUẤN


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Luận văn thạc sĩ

5.1 Mơ hình thử nghiệm ........................................................................... 65
5.2 Dụng cụ và môi chất thử nghiệm ....................................................... 66
5.1.1 Dụng cụ thử nghiệm................................................................... 66
5.1.2 Môi chất thử nghiệm .................................................................. 66
5.3 Tiến hành thí nghiệm ......................................................................... 66
5.4 Đánh giá hệ thống khi thay đổi các môi chất .................................... 68
5.5 Những vấn đề an toàn khi sử dụng .................................................... 74
môi chất lạnh Propane và Iso-Butane.
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
6.1 Kết luận .............................................................................................. 79
6.2 Kiến nghị ............................................................................................ 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................... 81
Phụ lục 1.Catalogue một số máy nén pittong kín hãng Tecumseh ............. 84
Phụ lục 2.Năng suất lạnh một số van tiết lưu nhiệt R22 hãng Danfoss ..... 92
Phụ lục 3. Dàn ngưng quạt thổi ngang kiểu FNA hãng KEWELY ............. 94
Phụ lục 4. Dàn lạnh kiểu DE hãng KEWELY ........................................... 95
Phụ lục 5. Bảng các số liệu vận hành với môi chất R22 ............................. 96
Phụ lục 6. Bảng các số liệu vận hành với môi chất R290 ........................... 97

Phụ lục 7. Bảng các số liệu vận hành với môi chất R404A ........................ 98
Phụ lục 8. Bảng các số liệu vận hành với môi chất R600A ........................ 99
Phụ lục 9. Lập trình Matlap cho thiết bị trao đổi nhiệt ............................... 100
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ..................................................................... 117

HVTH: ĐÀO HUY TUẤN


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Luận văn thạc sĩ

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Lỗ thủng tầng ozone ở Nam Cực vào tháng 9 năm 2000 ......................... 04
Hình 1.2 Chỉ số ODP của 1 số mơi chất lạnh ......................................................... 05
Hình 1.3 Chỉ số GWP của 1 số mơi chất lạnh ....................................................... 06
Hình 1.4 Thời gian tồn tại trong khí quyển của 1 số mơi chất lạnh ......................... 08
Hình 1.5 Lộ trình loại trừ các môi chất lạnh HCFC theo nghị định thư Montreal ... 09
Hình 3.1 Biểu diễn chu trình trên Đồ thị lgP-h mơi chất lạnh R22 ......................... 24
Hình 3.2 Giá trị tính tốn chu trình mơi chất lạnh R22 .......................................... 24
Hình 3.3 Biểu diễn chu trình trên Đồ thị lgP-h mơi chất lạnh R404A..................... 25
Hình 3.4 Giá trị tính tốn chu trình mơi chất lạnh R404A ..................................... 25
Hình 3.5 Biểu diễn chu trình trên Đồ thị lgP-h mơi chất lạnh R290 ....................... 26
Hình 3.6 Giá trị tính tốn chu trình mơi chất lạnh R290 ........................................ 26
Hình 3.7 Biểu diễn chu trình trên Đồ thị lgP-h mơi chất lạnh R600A..................... 27
Hình 3.8 Giá trị tính tốn chu trình mơi chất lạnh R600A ..................................... 27
Hình 3.9 Đồ thị nhiệt độ - áp suất. ......................................................................... 28
Hình 3.10 Biểu đồ so sánh cơng nén lý thuyết. ...................................................... 29
Hình 3.11. Biểu đồ so sánh COP lý thuyết. ............................................................ 29

Hình 3.12 Biểu đồ so sánh tỉ số nén lý thuyết. ....................................................... 30
Hình 3.13 Biểu đồ so sánh nhiệt thải thiết bị ngưng tụ lý thuyết ............................ 30
Hình 3.14 Biểu đồ so sánh thể tích hút lý thuyết. ................................................... 31
Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh thương nghiệp ....................................... 32
Hình 3.16 Mạch điện điều khiển hệ thống lạnh ..................................................... 46
Hình 3.17 Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng (W/m2K) ...................................................... 49
HVTH: ĐÀO HUY TUẤN


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Luận văn thạc sĩ

Hình 3.18 Hệ số truyền nhiệt K thiết bị ngưng tụ (W/m2K) ................................... 49
Hình 3.19 Diện tích thiết bị ngưng tụ (m2) ............................................................ 50
Hình 3.20 Hệ số tỏa nhiệt khi sơi (W/m2K) ........................................................... 51
Hình 3.21 Hệ số truyền nhiệt K thiết bị bay hơi (W/m2K) ...................................... 51
Hình 3.22 Diện tích thiết bị bay hơi (m2) .............................................................. 52
Hình 4.1 Khung đỡ hệ thống .................................................................................. 53
Hình 4.2 Thiết bị ngưng tụ ..................................................................................... 54
Hình 4.3 Thiết bị bay hơi ....................................................................................... 54
Hình 4.4 Máy nén Tecumseh ................................................................................. 55
Hình 4.5 Van tiết lưu nhiệt Danfoss ....................................................................... 55
Hình 4.6 Quạt thiết bị trao đổi nhiệt....................................................................... 55
Hình 4.7 Bình chứa cao áp..................................................................................... 56
Hình 4.8 Van chặn tay, van điện từ. ....................................................................... 56
Hình 4.9 Phin sấy lọc............................................................................................. 56
Hình 4.10 Mắt gas ................................................................................................. 57
Hình 4.11 Role áp suất kép .................................................................................... 57
Hình 4.12 Áp kế dầu .............................................................................................. 57

Hình 4.12 Nhiệt kế điện tử ..................................................................................... 58
Hình 4.13 Bộ điều khiển Emerson EC1-233 .......................................................... 58
Hình 4.14 Cụm máy nén dàn ngưng....................................................................... 60
Hình 4.15 Buồng lạnh và dàn bay hơi .................................................................... 61
Hình 4.16 Trang bị hệ thống điện .......................................................................... 62
Hình 4.17 Mơ hình hồn chỉnh .............................................................................. 62
Hình 4.18 Bộ nạp mơi chất .................................................................................... 64
Hình 5.1 Mơ hình thử nghiệm ................................................................................ 65
HVTH: ĐÀO HUY TUẤN


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Luận văn thạc sĩ

Hình 5.2 Khay nước đá đơng đặc ........................................................................... 67
Hình 5.3 Đồ thị áp suất và nhiệt độ ........................................................................ 68
Hình 5.4 Đồ thị tỉ số nén và nhiệt độ bay hơi ......................................................... 69
Hình 5.5 Đồ thị năng suất lạnh và nhiệt độ bay hơi ................................................ 70
Hình 5.6 Đồ thị điện năng tiêu thụ và nhiệt độ bay hơi .......................................... 71
Hình 5.7 Đồ thị COP và nhiệt độ bay hơi............................................................... 72
Hình 5.8 Đồ thị điện năng tiêu thụ và nhiệt độ bay hơi .......................................... 73
Hình 5.9 Hệ thống thơng gió nền ........................................................................... 74
Hình 5.10 Role điện tử PTC................................................................................... 75
Hình 5.11 Role bảo vệ quá tải máy nén.................................................................. 75
Hình 5.12 Tụ điện .................................................................................................. 76
Hình 5.13 Thermostat loại hộp kín ......................................................................... 76
Hình 5.14 Quạt có động cơ đúc kín ........................................................................ 77
Hình 5.15 Đế bóng đèn bằng cao su ....................................................................... 77
Hình 5.16 Máy báo rị rỉ gas .................................................................................. 78

Hình 5.17 Phịng chống cháy nổ nơi làm việc ........................................................ 78

HVTH: ĐÀO HUY TUẤN


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ODP: mức độ hủy hoại tầng ozone
GWP: đánh giá mức độ gây ra hiệu ứng nhà kính
COP: hệ số hiệu quả năng lượng
Qk: năng suất nhiệt thực tế hệ thống lạnh
Qo: năng suất lạnh thực tế hệ thống lạnh
L: công nén thực tế
Π: tỉ số nén
K: hệ số truyền nhiệt
α : hệ số tỏa nhiệt
tmt : nhiệt độ khơng khí xung quanh
to: nhiệt độ sôi môi chất
tk: nhiệt độ ngưng mơi chất
di : đường kính trong của ống
do : đường kính ngồi của ống S1 :bước dọc
S2: bước ngang
δc: chiều dày cánh
Sc: bước cánh
Sc = 0,006 m
H: hiều cao cánh h = 0,012 m
φ : độ ẩm
d : độ chứa hơi

HVTH: ĐÀO HUY TUẤN

Luận văn thạc sĩ


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO
I : entanpi
tw: nhiệt độ vách
ρ : khối lượng riêng
λ : hệ số dẫn nhiệt
ν : độ nhớt động học
ω : tốc độ dịng khơng khí
ξ : hệ số tách ẩm
σ : sức căng bề mặt
min : phút
HP : áp suất cao
LP : áp suất thấp
IT : dòng điện tổng
IC : dòng điện máy nén
T1 : nhiệt độ hơi hút về máy nén
T2 : nhiệt độ cuối tầm nén
T3 : nhiệt độ ngưng tụ
T4 : nhiệt độ bay hơi
CI : nhiệt độ khơng khí vào dàn ngưng
CO : nhiệt độ khơng khí ra dàn ngưng
EI : nhiệt độ khơng khí vào dàn bay hơi
EO : nhiệt độ khơng khí ra dàn bay hơi
RI : độ ẩm khơng khí vào dàn bay hơi
RO : độ ẩm khơng khí ra dàn bay hơi
P: điện năng tiêu thụ

Pk : áp suất ngưng tụ
HVTH: ĐÀO HUY TUẤN

Luận văn thạc sĩ


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO
Po : áp suất bay hơi
Ƞ : hiệu suất
Ψ : hệ số kể đến tỏa nhiệt không đồng đều
β : hệ số làm cánh

HVTH: ĐÀO HUY TUẤN

Luận văn thạc sĩ


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, mơi chất lạnh có nhưng thay đổi rất đáng kể nhất là các
môi chất sử dụng máy lạnh nén hơi. Các nhà nghiên cứu đã và đang cịn tiếp tục lao vào
tìm kiếm các mơi chất lạnh mới. Trước đây các môi chất lạnh truyền thống đã sử dụng
hàng thập kỷ qua thường là loại CFC và HCFC thì ngày nay đã có sự thay đổi. Không
những vậy chúng ta thận trọng với những môi chất mà những năm trước vẫn được xem là
môi chất lạnh tương lai như HFC 134a chẳng hạn, bằng chứng là EU đã đề nghị loại trừ
mơi chất này vì chỉ số làm nóng địa cầu quá cao và bị nhiễm bẩn. Ngay cả hỗn hợp không

đồng sôi như R407C vốn được ưa chuộng trong thập niên qua cũng dần dần bị thay thế
bằng R410A. Phải chăng mơi chất R410A có phải là mơi chất tương lai chưa? Cuộc chạy
đua tìm kiếm môi chất lạnh tự nhiên thân thiên môi trường, có năng suất lạnh và hiệu suất
lạnh cao thay thế mơi chất lạnh cũ vẫn cịn đang tiếp diễn. Với những tiến bộ khoa học
ngày càng phát triển chắc chắn sẽ có nhiều bước đột phá mới.
Để định hướng cho việc nghiên cứu phát triển yếu tố thời gian rất quan trọng, khi
chưa tìm được phương án hợp lý có tính lâu dài thì vấn đề ưu tiên trước hết là mơi chất
lạnh ít gây ảnh hưởng mơi trường.
Mục đích luận văn này em nghiên cứu dùng môi chất lạnh R404A, R290, R600a
thay thế cho R22 trong hệ thống lạnh thương nghiệp nhằm đánh giá năng suất lạnh, hiệu
suất làm lạnh, phạm vi ứng dụng và tiềm năng thay thế.

HVTH: ĐÀO HUY TUẤN

1


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Luận văn thạc sĩ

CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ MÔI CHẤT LẠNH VÀ VẤN ĐỀ ẢNH
HƢỞNG MÔI TRƢỜNG.
1.

Tổng quan.

Hiện nay, loài người đang phải đối mặt với những hậu quả tai hại của biến đổi khí
hậu, trong đó hiện tượng nóng lên tồn cầu và tầng ơzơn suy giảm là những tác động

hàng đầu thu hút sự quan tâm của tất cả các quốc gia và tổ chức Liên hiệp quốc.
Do vấn đề bảo vệ môi trường và sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng, kỹ thuật
lạnh có những bước phát triển về cơng nghệ nhằm nâng cao năng suất lạnh, hiệu suất làm
lạnh và ít ảnh hưởng đến môi trường.
Những thay đổi nổi bật nhất việc dần dần loại trừ các môi chất lạnh cũ đang dùng
để thay bằng các môi chất lạnh mới thân thiện với mơi trường. Các mơi chất lạnh này,
ngồi u cầu ít ảnh hưởng đến mơi trường, cịn phải có các tính chất nhiệt động tốt để
đáp ứng các yêu cầu sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.
Trong thời gian qua, đã có nhiều nghiên cứu khoa học công việc này. Tuy nhiên,
vẫn chưa đáp ứng được do các đòi hỏi khắt khe đã nêu ở trên, việc nghiên cứu tìm kiếm
mơi chất lạnh mới vẫn đang tiếp tục. Những thập kỷ qua các môi chất lạnh làm việc trong
các máy lạnh có máy nén hơi thường là loại CFC và HCFC, thì ngày nay cơ cấu của mơi
chất lạnh đã có sự chuyển đổi.
Thay vào đó, bên cạnh các chất HCFC đã và đang bắt đầu đưa vào sử dụng các chất
HFC và một số chất được hịa trộn từ các đơn chất khác. Ngồi các mơi chất lạnh có
nguồn gốc từ sự tổng hợp hóa học, các nhà nghiên cứu và sản xuất ngày càng hướng sự
chú ý của mình vào một số mơi chất lạnh có nguồn gốc thiên nhiên.

2.

Mơi chất lạnh và vấn đề suy giảm tầng ozone

Ta biết rằng khí quyển bao quanh trái đất là lớp khơng khí có bề dày khoảng 50
km, càng lên cao thì mật độ khơng khí càng giảm. Có thể coi khí quyển bao quanh chúng

HVTH: ĐÀO HUY TUẤN

2

Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

ta tạo thành từ hai tầng chính là tầng đối lưu (Troposphere) có độ cao từ 0 đến 10 km và
tầng bình lưu (Straposphere) có độ cao từ 10 đến 50 km.
Ngồi 78% khí quyển là nitơ, 21% là ơxy, cịn có 1% là các khí khác như hơi
nước, khí cácbơnic, mêtan, các ôxyt nitơ, các khí trơ như argon, hêli, nêon,… và ôzôn.
Tuy chỉ chiếm khoảng 3 phần triệu nhưng sự có mặt của ơzơn trong khí quyển lại có vai
trị đặc biệt quan trọng.
Ơzơn là một dạng tồn tại của ngun tố ôxy, phân tử gồm 3 nguyên tử ôxy, trong
điều kiện bình thường ở dạng khí, màu tím nhạt và có mùi hơi hăng. Ơzơn trong khí
quyển phân bố khơng đều, phụ thuộc vào độ cao và vị trí địa lý. Ơzơn được hình thành
do tác động của bức xạ mặt trời, đồng thời nó cũng mất đi do sự tác động của bức xạ mặt
trời, vì vậy ơzơn trong khí quyển tồn tại ở trạng thái cân bằng động.
Lượng ơzơn chủ yếu tập trung trong lớp khí quyển có độ cao từ 10 đến 50 km của
tầng bình lưu, đặc biệt là ở độ cao 19 đến 23 km có đến 90% lượng ơzơn tập trung ở đây,
do vậy đó cũng chính là nơi sản sinh ra ơzơn trong khí quyển do phản ứng quang hóa của
bức xạ mặt trời:
O2 → O + O
O2 + O → O 3
Ơzơn được hình thành quanh năm trong tầng bình lưu vùng xích đạo, do q trình
động học quy mơ lớn của khí quyển về phía hai cực nên ơzơn được di chuyển về phía hai
cực. Ở vùng xích đạo, trong tầng bình lưu mật độ ơzơn lớn nhất ở độ cao khoảng 18 km,
ở hai cực mật độ ôzôn lớn nhất ở lớp khí quyển có độ cao từ 8 đến 10 km.
Ơzơn ở tầng bình lưu có vai trị hết sức quan trọng đối với sự sống trên trái đất.
Nó hấp thụ hầu hết các tia bức xạ sóng ngắn, sóng dài và đặc biệt là sóng trung là sóng
rất nguy hiểm tới sự sống trên trái đất. Đó là lá chắn bảo vệ sự sống trên trái đất và được
gọi là tầng ôzôn.
Đặc điểm cơ bản của ozone là tính kém bền vững. Do đó, trong một điều kiện thích

hợp nào đó, ozone lại có thể bị phân hủy bởi một số chất khí có chứa chlorine, hydrogen
và nitrogen đang tồn tại tự nhiên trong bầu khí quyển. Quá trình hình thành và phân hủy
ozone ln ln diễn ra, từ năm này qua năm khác. Tuy nhiên, trong điều kiện cân bằng
HVTH: ĐÀO HUY TUẤN

3


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Luận văn thạc sĩ

sinh thái, luôn ln tồn tại trong bầu khí quyển một lượng ozone nào đó, lượng ozone này
có tác động rất tích cực trong việc loại bớt những tia bức xạ độc hại, làm cho những tia
bức xạ mặt trời đi đến bề mặt quả đất trở nên có ích hơn cho sự phát triển của các sinh vật
nói chung và con người nói riêng.
Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng clo phản ứng rất nhanh với ôzôn để tạo
thành clorine ôxit (ClO), sau đó ClO lại phân ly thành Cl nguyên tử và ôxy, Cl lại tiếp tục
phản ứng với ôzôn,…Quá trình lặp lại nhiều lần như vậy như một chuỗi phản ứng, mỗi
nguyên tử Cl có thể phá hủy hàng nghìn phân tử ơzơn. Lượng ơzơn bị phá hủy nhiều tới
mức đã xuất hiện lỗ thủng ở tầng ôzôn, các tia cực tím khi đó có cơ hội đi tới bề mặt trái
đất và gây các tác dụng xấu. Ta thấy rằng dưới tác dụng của tia cực tím ôzôn bị phân tích
thành O2 + O và Clo tách ra từ HCFC 22 lại tác dụng với ôxy nguyên tử và làm suy giảm
tầng ơzơn.

Hình 1.1 Lỗ thủng tầng ozone ở Nam Cực vào tháng 9 năm 2000
Như vậy các mơi chất lạnh càng có nhiều ngun tử Clo thì sức phá hủy ơzơn của
nó càng mạnh, trong số các mơi chất có chứa Clo là CFC và HCFC thì rõ ràng các CFC
có số ngun tử Clo cao hơn
Để tránh giá mức độ hủy hoại tầng ozone của các chất này người ta đặt ra chỉ số

ODP (Ozone Depletion Potential).

HVTH: ĐÀO HUY TUẤN

4


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Luận văn thạc sĩ

Hình 1.2 Chỉ số ODP của 1 số môi chất lạnh

3.

Hiệu ứng nhà kính và hiện tƣợng gia tăng nhiệt độ của bầu khí quyển

Các chất khí nhiều ngun tử có đặc tính quang học giống như của kính trong suốt,
nghĩa là nó cho các tia bức xạ sóng ngắn từ mặt trời (có nhiệt độ cao) đi qua để tới trái
đất nhưng các tia bức xạ sóng dài phát đi từ bề mặt trái đất (nhiệt độ thấp hơn) lại bị phản
xạ trở lại. Kết quả là trái đất cứ nhận bức xạ mặt trời mà không phát trở lại vào vũ trụ nên
nhiệt độ trái đất cứ ngày càng tăng lên, giống như hiện tượng “bẫy nhiệt” hay hiệu ứng
“nhà kính” của bộ thu năng lượng mặt trời, vì thế các khí này cịn có tên gọi là khí nhà
kính. Các mơi chất lạnh khi được phát thải vào khí quyển sẽ cùng với các khí CO2, H2O
và các khí khác do q trình cháy nhiên liệu hóa thạch,…tạo thành các khí nhà kính, là
ngun nhân làm cho trái đất nóng lên. Các mơi chất lạnh đều là các khí đa phân tử hay
hỗn hợp các chất lưu, do đó dù ít hay nhiều, môi chất lạnh nào cũng gây nên hiệu ứng nhà
kính.
Hiệu ứng nhà kính đã tồn tại từ rất lâu và là hiệu ứng có tác động tích cực. Ở điều
kiện cân bằng sinh thái, chính nhờ hiệu ứng nhà kính mà nhiệt độ trung bình trên trái đất

HVTH: ĐÀO HUY TUẤN

5


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Luận văn thạc sĩ

được duy trì vào khoảng 15 độ C. Đây chính là mức nhiệt độ thích hợp cho sự tồn tại và
phát triển của các sinh vật nói chung.
Chính sự xuất hiện ngày càng nhiều hơn của CO2 và các loại khí lạ khác đã làm cho
sự cân bằng tự nhiên bị phá vỡ. Bầu khí quyển của quả đất có xu hướng càng ngày càng
gia tăng khả năng cản trở và hấp thụ các tia bức xạ nhiệt xuất phát từ bề mặt quả đất.
Chính vì vậy, nhiệt độ của bầu khí quyển ngày càng gia tăng. Sự gia tăng nhiệt độ này
nhất định sẽ kéo theo những biến đổi của khí hậu và gây ra những thiên tai không lường
trước được.
Để đánh giá mức độ gây ra hiệu ứng nhà kính của mỗi chất khí, người ta đặt ra chỉ
số GWP (Global Warming Potential)

Hình 1.3 Chỉ số GWP của 1 số mơi chất lạnh

4.

Các thỏa thuận quốc tế

Trước nguy cơ tia cực tím xâm hại sự sống trên hành tinh do sự suy giảm của tầng
ôzôn, tháng 3 năm 1985, 42 quốc gia tham dự hội nghị quốc tế tại Viên đã ký kết Công
ước Viên gồm 21 điều thúc đẩy các quốc gia thực hiện các cam kết bảo vệ sức khỏe của

HVTH: ĐÀO HUY TUẤN

6


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Luận văn thạc sĩ

con người và môi trường khỏi những tác động tiêu cực do tầng ôzôn bị suy giảm và kêu
gọi hợp tác trong nghiên cứu và trao đổi thông tin trong lĩnh vực bảo vệ tầng ơzơn. Tiếp
đó, tháng 9 năm 1987 Nghị định thư của Công ước Viên được thông qua tại Montreal
(Canada) nhằm xác định các biện pháp cần thiết để các quốc gia tham gia hạn chế và
kiểm soát việc sản xuất và tiêu thụ CFC và có hiệu lực từ ngày 1-1-1989.
Do tốc độ suy giảm thực sự của tầng ozone diễn ra nhanh hơn dự kiến. Vào tháng
9/1990, các nước tham gia nghị định như Montréal lại gặp nhau tại London để bàn bạc
việc sửa đổi và bổ sung nghị định thư Montréal.
Sau đó vào tháng 12/1992, lần sửa đổi và bổ sung thứ hai đã được tiến hành tại
Copenhagen. Tháng 12/1995, trên cơ sở các báo cáo của các nhóm làm việc ở Nairobi
(5/1995) và ở Geneva (8 và 9/1995), các bên có liên quan đã nhóm họp tại Vienna để sửa
đổi và bổ sung lần thứ ba cho nghị định Montréal.
Về vấn đề gia tăng hiệu ứng nhà kính trên phạm vi tồn trái đất, một trong những
cuộc họp quan trọng có liên quan đến vấn đề này đã được tổ chức tại Berlin từ 28/3 đến
7/4/1995.
Từ 1996 cho đến nay, đã có thêm nhiều cuộc họp với các quy mô khác nhau nhằm
thúc đẩy các hoạt động này.
Ý thức được sự cần thiết phải loại trừ dần các chất ODS, Việt Nam đã chính thức
tham gia công ước Vienna và nghị định Montréal vào năm 1994. Việt Nam cũng có một
số trạm quan trắc như ở Hà Nội, Sa Pa và Tp Hồ Chí Minh.

5.

Các loại mơi chất lạnh

1.5.1 Mơi chất lạnh loại CFC
Do có chứa chlorine cho nên chỉ số ODP của các chất CFC khá cao, khoảng từ
0,6 cho đến 1. Hội nghị tại Montréal năm 1987 đã quyết định loại trừ các chất CFC.
Ngoài khả năng làm hủy hoại tầng ozone, các chất CFC cịn có khả năng làm tăng
hiệu ứng nhà kính. Thật sự hàm lượng các chất CFC hiện có trong bầu khí quyển khơng
nhiều lắm, tuy nhiên hậu quả làm nóng dần trái đất do nó gây ra rất đáng kể.
HVTH: ĐÀO HUY TUẤN

7


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Luận văn thạc sĩ

1.5.2 Môi chất lạnh loại HCFC
Được coi là các môi chất lạnh chuyển tiếp (được sử dụng tạm thời, phải loại trừ vào
năm 2030, với các nước đang phát triển và Việt Nam thời hạn này là năm 2040.
Môi chất lạnh loại HCFC có chứa đầy đủ các nguyên tử hydrogen, chlorine,
fluorine và carbon. So với các chất CFC, các tác nhân lạnh loại HCFC có độ bền vững
kém hơn, điều này được thể hiện qua thời gian tác động (Atmospheric Lifetime).

Hình 1.4 Thời gian tồn tại trong khí quyển của 1 số môi chất lạnh
Thời gian tác động của các chất HCFC chỉ khoảng từ 2 năm đến 22 năm. Do thời
gian tác động ngắn, hầu hết các chất HCFC đều bị phân hủy trước khi đến được vùng
bình lưu của bầu khí quyển. Vì thế mức độ phá hủy tầng ozone của cá chất HCFC thấp

hơn rất nhiều so với các chất CFC.
Khi xem xét khả năng làm gia tăng hiệu ứng nhà kính, cũng dễ dàng nhận ra rằng
các chất HCFC góp phần khơng nhiều vào việc làm gia tăng nhiệt độ của quả đất như các
chất CFC. Chính do những đặc điểm này, việc kiểm soát các chất HCFC không chặt chẽ
và khẩn trương như các chất CFC.

HVTH: ĐÀO HUY TUẤN

8


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Luận văn thạc sĩ

Trong kỹ thuật lạnh và điều hịa khơng khí, chất HCFC được dùng nhiều nhất là
HCFC-22. Như đã biết, chất này được coi là mơi chất lạnh giữ vai trị q độ. Trong một
số trường hợp, để thay thế cho các chất bị cấm có khi người ta vẫn phải dùng HCFC-22.
Tuy nhiên, cũng cần phải nghĩ đến việc thay thế HCFC-22 trong các hệ thống đang vận
hành vì đây cũng là đối tượng phải kiểm soát và nằm trong kế hoạch loại trừ.

Hình 1.5 Lộ trình loại trừ các mơi chất lạnh HCFC theo nghị định thư Montreal
1.5.3 Tác nhân lạnh loại HFC
Các chất này chỉ chứa các nguyên tử hydrogen, flurine và carbon. Do không chứa
chlorine nên chỉ số ODP của các chất HFC bằng khơng, có nghĩa là các chất này không
tham gia vào việc phá hủy tầng ozone.
Những năm gần đây các chất HFC sẽ được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống
lạnh và điều hịa khơng khí thay thế cho các môi chất lạnh bị cấm sử dụng. Hiện nay, một
trong số những chất HFC đang được sử dụng phổ biến là HFC-134a
Tuy nhiên, các chất HFC chỉ số hiệu ứng nhà kính cịn cao, cho nên một số nhà

nghiên cứu đưa vào môi chất lạnh loại thiên nhiên thay cho các chất HFC.
HVTH: ĐÀO HUY TUẤN

9


GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Luận văn thạc sĩ

1.5.4 Tác nhân lạnh loại hòa trộn
Các nhà nghiên cứu đã và đang tiến hành việc hòa trộn một số đơn chất theo một tỷ
lệ thích hợp nào đó để tạo thành những chất mới.
Về các thành phần được dùng để hoà trộn, nói chung người ta có thể dùng các chất
CFC, HCFC, HFC hoặc một số chất khí có nguồn gốc thiên nhiên khác.
Đương nhiên, do các chất CFC là đối tượng kiểm sốt và loại trừ, các chất hịa trộn
có CFC cũng bị loại trừ.
Chất hòa trộn ra làm hai loại: loại có chứa chlorine và khơng có chứa chlorine.
Thơng thường, chất hịa trộn có chứa chlorine được cấu tạo từ một số thành phần
mà trong đó thành phần chủ chốt là HCFC-22.
Do có chứa chlorine cho nên các chất hịa trộn này vẫn có một mức độ phá hủy nào
đó đối với tầng ozone.
Với những chất hịa trộn khơng chứa chlorine, các thành phần được dùng để hòa
trộn thường là các chất HFC.
Do không chứa chlorine nên chỉ số ODP của các chất này luôn luôn bằng không.
Bên cạnh những chất HFC, các chất hịa trộn khơng chứa chlorine được xem là những tác
nhân lạnh của tương lai.
Các môi chất hịa trộn các đơn chất cần chú ý đến tính chất đồng sôi hay không
đồng sôi.
Những chất đồng sôi là những chất mà khi ở cùng áp suất thì có nhiệt độ sôi khá

giống nhau (độ chênh lệnh nhiệt độ không quá 10 độ C). Những chất không đồng sôi là
những chất mà khi ở cùng áp suất thì nhiệt đội sôi chênh lệch hơn 10 độ C (thông thường
là chênh lệch nhiều hơn 15 độ C).
Trong khi đó, đối với các chất khơng đồng sơi, q trình ngưng tụ và bay hơi luôn
luôn kèm theo hiện tượng trượt nhiệt độ (Temperature Glide).
1.5.5 Môi chất lạnh loại thiên nhiên
Các môi chất lạnh được sử dụng lâu dài (môi chất lạnh cho tương lai): Gồm các
mơi chất lạnh có ODP = 0 và trị số GWP nhỏ như các môi chất lạnh tự nhiên: H2O

HVTH: ĐÀO HUY TUẤN

10