luận án tiến sĩ nghiên cứu xác định tính chất nhiệt động và khả năng ứng dụng của một số HFO trong lĩnh vực điều hòa không khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHAN THỊ THU HƯỜNG

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT NHIỆT
ĐỘNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA MỘT SỐ
HFO TRONG LĨNH VỰC ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

Hà Nội – 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHAN THỊ THU HƯỜNG

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT NHIỆT
ĐỘNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA MỘT SỐ
HFO TRONG LĨNH VỰC ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ

Ngành: Kỹ thuật Nhiệt
Mã số: 9520115

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. LẠI NGỌC ANH

Hà Nội – 2021


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án này là kết quả nghiên cứu của tôi.
Những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được các tác

giả khác cơng bố.
Luận án này có sử dụng một số thông tin, công cụ do người hướng dẫn cung cấp.
Nội dung luận án có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên
các tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận án.
Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.
Hà Nội, ngày ….tháng….. năm 2021
Người hướng dẫn

Tác giả luận án

PGS.TS. Lại Ngọc Anh

Phan Thị Thu Hường

i


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến tất cả những người đã tạo điều kiện và giúp đỡ tơi
hồn thành luận án này.
Trước hết, tơi rất biết ơn người hướng dẫn của tôi là PGS.TS. Lại Ngọc Anh, người

đã định hướng, cung cấp thông tin, cách tiếp cận các kiến thức chun mơn, khuyến
khích, động viên giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và viết bản luận án này.
Tôi cũng xin cảm ơn các thành viên trong đơn vị của tôi - Trường Đại học Sư phạm
Kỹ thuật Nam Định - ở các khoa Điện – Điện tử, Cơ khí đã tư vấn, hỗ trợ phần kiến
thức chuyên ngành, đưa ra các đề xuất có giá trị trong quá trình nghiên cứu thử nghiệm
trong luận án của tôi.
Tôi cảm ơn sự hỗ trợ từ các nguồn tài chính của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Nam Định, từ đề án 911 của Chính phủ, Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ quốc
gia và các quỹ tài chính khác.
Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo từ Viện Khoa học & Công nghệ
Nhiệt - Lạnh đã hỗ trợ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa

Hà Nội.
Cuối cùng, tôi xin dành kết quả của luận án này cho gia đình của tôi, những người
thân thiết đã ln bên cạnh tơi, động viên, khích lệ, giúp đỡ để tơi có thể hồn thành
được bản luận án.
Hà Nội, ngày…. tháng…. năm 2021
Tác giả luận án

Phan Thị Thu Hường

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN......................................................................................................i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT..............................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THI..................................................................xii
MỞ ĐẦU...................................................................................................................1

1. Lý do chọn đề tài.............................................................................................. 1
2. Mục đích nghiên cứu........................................................................................ 3
3. Nội dung nghiên cứu......................................................................................... 3
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu..................................................................... 4
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu........................................ 5
6. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................. 6
7. Các kết quả mới của luận án............................................................................. 7
8. Cấu trúc của luận án.......................................................................................... 9
Chương 1 – TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG MÔI CHẤT LẠNH
THAY THẾ.................................................................................................................. 12
1.1 Các thế hệ môi chất lạnh............................................................................... 12
1.2 Cơ sở pháp lý và sự cần thiết phải nghiên cứu MCL thế hệ mới...................15
1.3 Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định tính chất nhiệt động cơ bản của

mơi chất................................................................................................................... 20
1.3.1 Phương pháp dự đoán............................................................................ 20
1.3.2 Phương pháp thực nghiệm..................................................................... 22
1.4 Nghiên cứu lý thuyết xác định số liệu nhiệt động tổng hợp của môi chất.....24
1.5 Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chu trình và hệ thống thiết bị chuyển hoá

năng lượng.............................................................................................................. 27
1.5.1 Nghiên cứu lý thuyết............................................................................. 27
1.5.2 Nghiên cứu thực nghiệm chu trình lạnh, bơm nhiệt...............................28
1.6 Phân tích, đánh giá, lựa chọn MCL tiềm năng.............................................. 31
1.7 Kết luận chương 1......................................................................................... 36
Chương 2 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT........................................................................... 38
2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình tương tác phân tử................................................... 38
iii

2.1.1 Cơ sở lý thuyết lực tương tác phân tử.................................................... 38
2.1.2 Năng lượng tự do Helmholtz................................................................. 41
2.1.3 Mơ hình tốn xác định lực tương tác phân tử........................................42
2.2 Cơ sở lý thuyết xác định số liệu nhiệt động dựa trên mô hình năng lượng tương

tác phân tử............................................................................................................... 46
2.2.1 Cơ sở lý thuyết xác định các thông số nhiệt động.................................. 46
2.2.2 Cơ sở lý thuyết xác định các đại lượng đặc trưng trong mô hình tương tác

phân tử................................................................................................................ 48
2.3 Cơ sở lý thuyết lựa chọn nghiên cứu môi chất lạnh tiềm năng.....................55
2.3.1 Văn bản pháp quy.................................................................................. 55
2.3.2 Sàng lọc và lựa chọn mơi chất lạnh tiềm năng....................................... 55
2.3.3 Xác định tính chất nhiệt động................................................................ 57
2.3.4. Đánh giá tiềm năng thay thế................................................................. 58
2.4 Kết luận chương 2......................................................................................... 61
Chương 3 – NGHIÊN CỨU XÁC ĐINH SỐ LIỆU NHIỆT ĐỘNG CỦA MÔI CHẤT

R1234ze(Z) VÀ R1243zf............................................................................................. 62
3.1 Số liệu nhiệt động của môi chất R1234ze(Z)................................................ 63
3.1.1 Số liệu nhiệt động cơ bản của R1234ze(Z)............................................ 63
3.1.2 Xác định đại lượng đặc trưng trong mô hình tương tác phân tử của
R1234ze(Z)......................................................................................................... 66
3.1.3 Đánh giá độ chính xác, tin cậy số liệu nhiệt động của R1234ze(Z).......67
3.1.4 Thông số nhiệt động của R1234ze(Z) trên đường bão hịa....................72
3.1.5 Thơng số nhiệt động của R1234ze(Z) trong vùng 1 pha........................74
3.1.6 Đồ thị lgp-h của R1234ze(Z)................................................................. 75
3.2 Số liệu nhiệt động của môi chất R1243zf..................................................... 76
3.2.1 Số liệu nhiệt động cơ bản của R1243zf................................................. 76
3.2.2 Xác định đại lượng đặc trưng trong mô hình tương tác phân tử của R1243zf

78
3.2.3 Đánh giá độ chính xác, tin cậy bộ số liệu nhiệt động của R1243zf........79
3.2.4 Thơng số nhiệt động của R1243zf trên đường bão hịa..........................82
3.2.5 Thông số nhiệt động của R1243zf trong vùng 1 pha.............................83
iv

3.2.6Đ


3.3

Kết luận chương 3 ..........................

Chương 4 – NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CHU TRÌNH LẠNH SỬ DỤNG MÔI
CHẤT LẠNH TIỀM NĂNG .........................................................................................
4.1

Sơ đồ nguyên lý ..............................

4.2

Phạm vi nghiên cứu lý thuyết chu tr

4.2.1C

4.2.2L
4.3

Cơ sở tính tốn ...............................

4.4

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tớ

4.4.1Ả

4.4.2Ả

4.4.3Ả
4.5

Đánh giá tiềm năng thay thế của cá

4.5.1M

4.5.2M
4.6

Kết luận chương 4 .........................

Chương 5 – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CHU TRÌNH LẠNH SỬ DỤNG MƠI
CHẤT R1234ze(E) ......................................................................................................
5.1

Thiết bị thí nghiệm ........................

5.2

Thiết bị đo, thu thập dữ liệu và điều

5.2.1T

5.2.2H

5.2.3K
5.3

Cơ sở tính tốn ..............................

5.4

Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm c

5.4.1C

5.4.2M

5.4.3C
5.5 Nghiên cứu thực nghiệm xác định COP của chu trình lạnh sử dụng R1234ze(E)
và chu trình dùng R134a .........................................................................................
v


5.6 Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chu trình lạnh sử dụng môi chất
R1234ze(E)........................................................................................................... 123
5.6.1 Nghiên cứu lý thuyết chu trình theo nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ bay hơi
thực nghiệm và hiệu suất nén không thuận nghịch lý tưởng bằng 100 %.........124
5.6.2 Nghiên cứu lý thuyết chu trình theo nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ bay hơi và

hiệu suất nén không thuận nghịch thu được từ thực nghiệm............................. 124
5.6.3 Chu trình tính theo thực nghiệm.......................................................... 125
5.6.4 So sánh đánh giá hiệu quả biến đổi năng lượng của chu trình lý thuyết và
thực nghiệm...................................................................................................... 125
5.7 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nước lạnh đến COP của chu trình sử dụng

môi chất R1234ze(E) và R134a............................................................................. 127
5.8 Kết luận chương 5....................................................................................... 128
CHƯƠNG 6 – KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN..........................................................131
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHI...............................................................................137
Kết luận............................................................................................................ 137
Kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo......................................................... 140
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................142
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN..................148

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu viết tắt
AAD Độ sai lệch trung bình tuyệt đối (absolute average deviation)
COP Hiệu quả biến đổi năng lượng của chu trình, thiết bị hoạt động theo chu trình ngược
chiều, còn được gọi là chỉ số hiệu quả (Coefficient Of Performance)
ECS

Phương trình trạng thái dựa trên mô hình đồng dạng mở rộng (Extended
Corresponding State)

F
F

Năng lượng Helmholtz
0

Năng lượng Helmholtz cho phần khí lý tưởng

r

F
FA

Năng lượng Helmholtz cho phần thực
Năng lượng do lực hấp dẫn (Attractive dispersion force con

FH

Năng lượng do tương tác rắn (Hard-body contribution)

FQ

Năng lượng do tương tác đa cực (Quadrupolar contribution

GWP

Tiềm năng làm nóng trái đất (Global warming potential)

MBEOS

Phương trình trạn

MCL Môi chất lạnh
ODP Tiềm năng làm suy giảm tầng ô-dôn (Ozone depletion potential)
PC SAFT Mô hình toán học về tương tác của vật chất có cấu tạo mạch thẳng theo mô hình
thống kê chuỗi (Perturbed-Chain Statistical Asociating Fluid Theory) PTTT Phương trình
trạng thái (EOS: Equation Of State)
R

Môi chất lạnh (Refrigerant)

STA

Độ lệch chuẩn

TN

Thực nghiệm

TBBH Thiết bị bay hơi
TBNT Thiết bị ngưng tụ
Đại lượng và đơn vị đo
C

Nhiệt dung riêng, J/(kgK)

dĐường kính hạt rắn
2

h

Gia tốc trọng trường, m/s

entanpy, kJ/kg

kB

Hằng số Boltzmann (Boltzmann constant), J/K

m

Lưu lượng khối lượng, kg/s

g

vii


m

Số phần tử tương đương

p

Áp suất, Pa

Q*2

Mô men đa cực không thứ nguyên (Reduced squared quadrupolar moment)

q

Năng suất lạnh riêng thể tích, J/m

s

Entropy, J/(kgK)

T

Nhiệt độ, K hoặc ºC

Tb

Nhiệt độ sơi thường, ºC

t

Thời gian, s

v

Thể tích riêng, m /kg
Ký tự Hy lạp

3

3

Hệ số dị hướng (Anisotropy factor)
Hệ số thu gọn
Hệ số mở rộng

ϵ

Chiều cao của giếng thế năng, J

η

Hiệu suất nén không thuận nghịch

ξHệ số nén
ΠTỉ số nén
3

ρKhối lượng riêng, kg/m
Đường kính tương đương (segment diameter), Å
ςHệ số rút gọn
τThời gian không thứ nguyên
Hệ số đối xứng
Chỉ số dưới
1

Thông số đặc trưng /Trạng thái hóa hơi

b

Giá trị nhiệt độ sơi thường (boiling)

c

Giá trị tới hạn (Critical)

cal

Thơng số tính tốn (Calculated)

exp

Thơng số thực nghiệm (Experimental)

f

Chất lưu (Fluid)

g

Trạng thái hơi quá nhiệt (Gas)

k

Trạng thái ngưng tụ

l

Trạng thái lỏng quá lạnh (Liquid)

Max

Giá trị lớn nhất (Maximum)

viii

Min

Giá trị nhỏ nhất (Minimum)

NC

Môi chất nghiên cứu
p

Quá trình đẳng áp (Isobaric)

qlTrạng thái quá lạnh
qn

Trạng thái quá nhiệt

r

Trạng thái thực

AT

Môi chất cần thay thế

Chỉ sớ trên
’Trạng thái lỏng bão hịa
’’Trạng thái hơi bão hịa khơ
0Lý tưởng (Ideal)

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Danh mục các loại máy lạnh bị áp dụng lệnh cấm trên thị trường của liên minh Châu

Âu (nguồn [5])
Bảng 1.2 Tổng kết xu hướng thay thế của thị trường (nguồn: [11])
Bảng 1.3 Một số nghiên cứu theo hướng lý thuyết trên thế giới
Bảng 1.4 Một số nghiên cứu theo hướng lý thuyết ở trong nước
Bảng 1.5

Một số nghiên cứu theo hướng thực n

Bảng 1.6

Một số nghiên cứu theo hướng thực n

Bảng 1.7

Các đồng phân của R1225, R1234, R

Bảng 1.8

Thông số tới hạn, Cp0, của một số đ

hơi và cấu trúc phân tử (nguồn: [34])
Bảng 1.9 Bảng khảo sát các nghiên cứu thực nghiệm được công bố cho các đồng phân HFO 34

Bảng 2.1 Hệ số và số mũ của năng lượng do lực hấp dẫn, FA

Bảng 2.2

Hệ số và số mũ của năng lượng do tư

Bảng 3.1

Số liệu thông số tới hạn của R1234ze

Bảng 3.2

Số liệu áp suất bão hòa của R1234ze

Bảng 3.3

Số liệu thực nghiệm khối lượng riêng

Bảng 3.4 Bảng tổng kết sai số giữa dữ liệu áp suất bão hòa thực nghiệm và số liệu tính tốn từ
nghiên cứu này
Bảng 3.5 Thơng số nhiệt động trên đường bão hòa của R1234ze(Z) (theo nhiệt độ)
Bảng 3.6

Thông số nhiệt động của R1234ze(Z)

Bảng 3.7

Số liệu thực nghiệm thông số tới hạn

Bảng 3.8

Số liệu áp suất bay hơi của R1243zf.

Bảng 3.9

Số liệu thực nghiệm khối lượng riêng

Bảng 3.10 Thơng số nhiệt động của lỏng bão hịa và hơi bão hịa khơ của R1243zf (theo nhiệt
độ)
Bảng 3.11 Thông số nhiệt động của R1243zf trong vùng 1 pha
Bảng 4.1

Các chế độ nhiệt độ bay hơi và ngưn

Bảng 4.2

Tính chất chung của một số MCL đư

Bảng 4.3 Độ sai lệch các tiêu chí về mặt nhiệt động của một số MCL thay thế cho R22
Bảng 4.4 Đánh giá tiềm năng thay thế của một số MCL cho môi chất R22 về mặt nhiệt động
và hiệu quả năng lượng

x
Bảng 4.5

Đánh giá tổng thể tiềm năng thay thế


Bảng 4.6

Độ sai lệch các tiêu chí về mặt nhiệt

Bảng 4.7 Đánh giá tiềm năng thay thế của các MCL cho môi chất R134a về mặt nhiệt động và
hiệu quả năng lượng
Bảng 4.8

Đánh giá tổng thể tiềm năng thay thế

Bảng 5.1

Thông số kỹ thuật của các thiết bị ch

Bảng 5.2

Thông số kỹ thuật của bộ thu thập số

Bảng 5.3 Độ không đảm bảo mở rộng U95 của các đầu đo nhiệt độ sau khi hiệu chuẩn
Bảng 5.4 Thông số nhiệt độ của đầu đo T2 chạy trong thời gian 10 phút ở chế độ thí nghiệm
Bảng 5.5 Thơng số áp suất của đầu đo P1 chạy trong thời gian 10 phút ở chế độ thí nghiệm
Bảng 5.6 Thơng số đặc trưng của chu trình sử dụng R1234ze(E) với hiệu suất nén không thuận

nghịch bằng 100 %
Bảng 5.7 Thông số đặc trưng của chu trình sử dụng R1234ze(E) với hiệu suất nén không thuận

nghịch thu được từ thực nghiệm
Bảng 5.8 Thông số đặc trưng của chu trình sử dụng R1234ze(E) thực nghiệm

xi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỜ THỊ
Hình 1.1 Ảnh hưởng của các loại MCL đến môi trường (theo tổ chức khí tượng thế giới, nguồn

[8])
Hình 1.2 Đồ thị p-h, T-s của 8 đồng phân HFO và R134a (nguồn [65])
Hình 1.3 Đánh giá, phân tích lựa chọn MCL tiềm năng sử dụng cho lĩnh vực ĐHKK
Hình 2.1 Thế Lennard-Jones các phân tử của một chất
Hình 2.2 Lưu đồ thuật tốn đơn hình tìm cực tiểu của hàm (nguồn [72])
Hình 2.3

Lưu đồ thuật tốn xác định tính chất

Hình 2.4

Lưu đồ thuật tốn lựa chọn mơi chất

Hình 3.1

Cấu tạo khơng gian của R1234ze(Z)

Hình 3.2 Sai lệch giữa áp suất bão hòa thực nghiệm (ps,exp) và áp suất bão hịa tính tốn (ps,cal)
thu được từ nghiên cứu này.
Hình 3.3 Sai lệch giữa khối lượng riêng lỏng bão hòa thực nghiệm (ρ’ s,exp) và khối lượng riêng

lỏng bão hịa tính tốn (ρ’s,cal) thu được từ nghiên cứu này
Hình 3.4 Sai lệch giữa khối lượng riêng hơi bão hòa thực nghiệm (ρ’s,exp) ∆ Yukihiro [26] và
khối lượng riêng lỏng bão hịa tính tốn (ρ’s,cal) thu được từ nghiên cứu này.
Hình 3.5 Sai lệch giữa khối lượng riêng pha hơi thực nghiệm (ρg,exp) ∆ Yukihiro [26] và khối
lượng riêng pha hơi tính tốn (ρg,cal) thu được từ nghiên cứu này.
Hình 3.6 Sai lệch giữa khối lượng riêng pha lỏng thực nghiệm (ρl,exp) ∆ Yukihiro [26] và khối
lượng riêng pha lỏng tính tốn (ρl,cal) thu được từ nghiên cứu này.
Hình 3.7 Sai lệch giữa khối lượng riêng pha hơi tính tốn (ρ l,cal) thu được từ nghiên cứu này và

khối lượng riêng pha hơi thực nghiệm (ρl,exp) ở các khối lượng mẫu khác nhau
Hình 3.8

Đồ thị lgp-h của R1234ze(Z)

Hình 3.9

Cấu tạo khơng gian của R1243zf

Hình 3.10 Sai lệch giữa áp suất bão hòa thực nghiệm (ps,exp) □ Brown [20] và áp suất bão hịa

tính tốn ( ps,cal) thu được từ nghiên cứu này.
Hình 3.11 Sai lệch giữa khối lượng riêng lỏng bão hòa thực nghiệm (ρ’s,exp) □ Nicola [24] và
khối lượng riêng lỏng bão hịa tính tốn ( ρ’s,cal) thu được từ nghiên cứu này.
Hình 3.12 Sai lệch giữa khối lượng riêng lỏng q lạnh tính tốn (ρl,cal) từ nghiên cứu này và
dữ liệu thực nghiệm (ρl,exp) ở các nhiệt độ khác nhau.
Hình 3.13 Sai lệch giữa áp suất pha hơi tính tốn (pg,cal) từ nghiên cứu này và dữ liệu thực
nghiệm (pg,exp) ở các khối lượng riêng khác nhau
Hình 3.14 Đồ thị lgp-h của R1243zf

xii
Hình 4.1 Sơ đồ thiết bị hệ thống máy lạnh nén hơi cơ bản


Hình 4.2 Đồ thị lgp-h của chu trình máy lạnh nén hơi cơ bản
Hình 4.3 Đường áp suất bão hịa tương ứng với nhiệt độ
Hình 4.4 Quan hệ của nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ đầu đẩy của máy nén
Hình 4.5 Quan hệ của nhiệt độ bay hơi và áp suất hơi hút của máy nén
Hình 4.6

Quan hệ của nhiệt độ bay hơi và tỉ số

Hình 4.7

Quan hệ của nhiệt độ bay hơi tới năn

Hình 4.8

Quan hệ của nhiệt độ bay hơi và COP

Hình 4.9

Quan hệ của nhiệt độ ngưng tụ và năn

Hình 4.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ tới hiệu suất năng lượng COP
Hình 4.11 Ảnh hưởng của hiệu suất nén không thuận nghịch của máy nén tới COP
Hình 4.12 So sánh các thơng số nhiệt độ đầu đẩy máy nén, áp suất hút, COP, q v, và Π của chu
trình sử dụng các môi chất tiềm năng thay thế cho R22 theo dải nhiệt độ bay hơi từ -5 ºC đến
15 ºC.

101

Hình 4.13 So sánh các thông số nhiệt độ đầu đẩy máy nén, áp suất hút, COP, q v, và tỉ số nén
của chu trình sử dụng các môi chất tiềm năng thay thế cho R134a theo dải nhiệt độ bay hơi từ
-5 ºC đến 15 ºC.
Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hệ thống và bố trí thiết bị đo
Hình 5.2

Hình ảnh tổng thể mơ hình thí nghiệm

Hình 5.3

Biến thiên nhiệt độ theo thời gian của

Hình 5.4

Biến thiên áp suất theo thời gian của

Hình 5.5 Sơ đồ kết nối các thiết bị đo với modul thu thập dữ liệu và kết nối hiển thị trên máy
tính.
Hình 5.6 Biểu diễn thơng số nhiệt động tại các điểm nút của chu trình hệ thống lạnh sử dụng
mơi chất R134a, R1234ze(E)
Hình 5.7 COP thay đổi theo nhiệt độ môi chất vào bình bay hơi và hiệu suất nén không thuận
nghịch của chu trình sử dụng mơi chất R1234ze(E)
Hình 5.8 Quan hệ giữa nhiệt độ nước lạnh và hiệu quả biến đổi năng lượng của máy làm lạnh
nước

xiii


Đối tượng
nghiên cứu

1

Sai
Đánh giá sai số
so với tính tốn

3 Bộ số liệu nhiệt động

R1234ze(Z)

5

6



MỞ ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài
Hiện nay, các nhà khoa học và các quốc gia trên thế giới đang nghiên cứu và thực

hiện các chương trình hành động cụ thể nhằm giảm thiểu và ứng phó với các tác động
của biến đổi khí hậu. Mục tiêu chính là cải thiện chất lượng bảo vệ môi trường, tiến tới
phát triển bền vững. Trong đó, hướng giảm thiểu các nguyên nhân gây ra biến đổi khí
hậu được quan tâm hàng đầu. Khi tìm ra các nguyên nhân và có biện pháp, hành động
cụ thể thì vấn đề chất lượng môi trường mới được cải thiện triệt để. Theo đánh giá
khoa học của Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) năm 2014 [1], các khí
nhà kính Flo hóa (khí F) chiếm khoảng 2 % nguyên nhân gây hiện tượng nóng lên tồn
cầu. Nguồn phát thải khí F chủ yếu từ con người tạo ra và sử dụng trong các ứng dụng
dân dụng và cơng nghiệp. Khí F bao gồm hydrofluorocarbon HFCs (91 %),
perfluorocarbon PFCs (6 %) và lưu huỳnh hexafluoride SF6 (3 %) [2]. Trong khi đó,
các chất HFCs lại là loại môi chất được ứng dụng nhiều trong ngành lạnh và điều hịa
khơng khí (ĐHKK) chiếm đến 86 % lượng sử dụng HFC (tính theo đơn vị CO 2 tương
đương GWP) theo thống kê năm 2012 [3]. Nếu giảm thiểu được nguyên nhân này thì
sẽ góp phần quan trọng trong tiến trình bảo vệ môi trường của thế giới.

Nhu cầu sử dụng môi chất lạnh (MCL) cho các hệ thống máy lạnh rất lớn và không
ngừng tăng theo thời gian. Để đáp ứng được các nhu cầu phát triển của ngành mà không
ảnh hưởng tới môi trường, việc giảm thiểu sử dụng các mơi chất HFCs có chỉ số tiềm
năng làm nóng trái đất (GWP) cao đã trở thành một vấn đề quan trọng trong chiến lược
phát triển của ngành. Thực tế cho thấy cách sử dụng MCL thân thiện với môi trường thay
thế cho các môi chất hiện dùng luôn được ưu tiên, đặc biệt là các mơi chất có hiệu suất
biến đổi năng lượng cao. Vì vậy, việc tìm MCL thay thế tiềm năng đã và đang được quan
tâm. Đây là cách phát triển bền vững. MCL phù hợp vừa có khả năng giảm thiểu
ơ nhiễm đến mơi trường vừa có khả năng nâng cao hiệu suất biến đổi năng lượng.

Trong các ứng dụng về lạnh và ĐHKK, ĐHKK đóng một vai trị rất quan trọng cả
trong lĩnh vực tiện nghi phục vụ cho con người và trong lĩnh vực công nghệ phục vụ
cho quá trình sản xuất. Nhu cầu điều hịa tiện nghi hay cơng nghệ ngày một tăng lên,
1


tương ứng với lượng MCL sử dụng trong các hệ thống này cũng tăng theo nhanh
chóng. Hiện nay, phần lớn các máy lạnh và ĐHKK sử dụng môi chất R22, R134a và
R410A (hỗn hợp của R32 và R125). Trong đó, R22 là chất HCFC đã bị cấm sử dụng ở
các nước phát triển và đang được sử dụng trong thời gian quá độ ở các nước đang phát
triển. R134a là chất thuộc nhóm HFC khơng phá hủy tầng ơ-dơn. Tuy nhiên, do R134a
có chỉ số làm nóng địa cầu cao (GWP = 1430) [4], nên đang được các nước phát triển
nghiên cứu thay thế hoặc cấm sử dụng. Lượng tiêu thụ R134a toàn cầu là 28 % theo
thống kê năm 2012 [3]. R125 trong hỗn hợp R410A có chỉ số GWP cao, bằng 3500
[4]. Lượng tiêu thụ R125 cũng rất lớn, 43 % [3]. Cộng đồng Châu Âu đã đưa ra pháp
lệnh và hướng dẫn cấm sử dụng các loại mơi chất có chỉ số GWP lớn hơn 150 ở các
loại ô tô mới được sản suất từ năm 2011 và cấm trên tất cả các loại ô tô từ năm 2017
[5]. Ở Việt Nam, Bộ tài nguyên và môi trường đã ra quyết định số 1888/QĐ-BTNMT
[6] với các mục tiêu chi tiết nhằm đảm bảo lộ trình loại bỏ hoàn toàn tiêu thụ các chất
HCFC theo quy định của nghị định thư Montreal. Mục tiêu cụ thể là: Việt Nam tuân

thủ nghĩa vụ giảm 35 % mức tiêu thụ cơ sở các chất HCFC từ năm 2020 đến 2024; loại
bỏ 1000 tấn HCFC-22 sử dụng trong lĩnh vực làm lạnh và ĐHKK gia dụng, lĩnh vực
làm lạnh, sản xuất xốp XPS. Vì vậy, việc nghiên cứu tìm kiếm, đánh giá các loại MCL
thân thiện môi trường thay thế trong các hệ thống ĐHKK là rất cần thiết.
Bên cạnh lượng MCL HFCs, HCFCs sử dụng trong hệ thống ĐHKK tăng lên thì
việc tiêu thụ năng lượng cho các hệ thống này cũng là một vấn đề lớn. Lượng điện tiêu
thụ trong các tòa nhà phục vụ cho hệ thống lạnh chiếm tới 50 % tổng lượng điện tiêu
thụ, và chiếm tới 20 % năng lượng tiêu thụ của một quốc gia [7]. Do đó, nếu hiệu suất
biến đổi năng lượng của các hệ thống này tăng lên sẽ góp phần giảm thiểu năng lượng
tiêu thụ, từ đó gián tiếp góp phần giảm phát thải CO2.
Chính vì vậy, khi nghiên cứu, tìm kiếm mơi chất lạnh thay thế, tiêu chí quan trọng là
các mơi chất này phải có hiệu suất biến đổi năng lượng cao để gián tiếp góp phần giảm
phát thải CO2, không ảnh hưởng tới sức khỏe của con người, đồng thời, thân thiện với môi
trường. Hiệu suất biến đổi năng lượng của các môi chất thay thế cho một hệ thống phải
tương đương, hoặc cao hơn so với loại mơi chất đang dùng trong hệ thống đó. Tiêu chí
khơng ảnh hưởng tới mơi trường được đánh giá qua các chỉ số tiềm năng suy giảm tầng ôdôn (ODP) và chỉ số tiềm năng làm nóng trái đất GWP. Các chỉ số này càng thấp

2


càng ít ảnh hưởng tới mơi trường. Trong các dịng môi chất đang được quan tâm
nghiên cứu (thế hệ MCL thứ tư) như các HFCs, HFOs, HFs, các môi chất lạnh tự nhiên
(Hydrocarbons, CO2, NH3,…) thì Hydrofluoro-olefin (HFO) là một trong các dịng
mơi chất tiềm năng nhất. Dịng mơi chất này thỏa mãn các tiêu chí là mơi chất lạnh
thay thế bền vững (có chỉ số ODP bằng 0, chỉ số GWP thấp và có một số tính chất
nhiệt động phù hợp) nên được đánh giá cao và giới khoa học đặc biệt quan tâm. Đồng
thời, các chất HFO cũng được liệt kê trong các văn bản pháp luật liên quan đến các
ứng viên MCL thay thế. Tuy nhiên, để đánh giá khả năng sử dụng và hiệu quả sử dụng
của môi chất trong hệ thống như thế nào thì nhất thiết phải có một bộ số liệu nhiệt
động đầy đủ, chi tiết và chính xác.

Từ những phân tích trên cho thấy hướng nghiên cứu các MCL thay thế tiềm năng cho
các MCL hiện dùng trong các hệ thống lạnh và điều hồ khơng khí để giảm thiểu được ơ
nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả biến đổi năng lượng là hướng nghiên cứu cần
thiết. Vì vậy, với mong muốn nghiên cứu MCL thay thế tiềm năng phù hợp sử dụng trong
lĩnh vực ĐHKK, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu xác định tính chất nhiệt động và
khả năng ứng dụng của một số HFO trong lĩnh vực điều hịa khơng khí”.

2.

Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu MCL thay thế tiềm năng thuộc thế hệ MCL thứ 4 để thay thế cho các

MCL hiện dùng trong các hệ thống ĐHKK thỏa mãn các tiêu chí giảm thiểu ơ nhiễm
mơi trường và/hoặc nâng cao hiệu quả làm lạnh.

3.

Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về thế hệ các MCL, các văn bản quy phạm pháp luật liên quan

đến hướng phát triển của MCL, các hướng nghiên cứu của môi chất. Lựa chọn chất
nghiên cứu trong luận án là dòng môi chất HFO: R1234ze(Z), R1243zf, R1234yf,
R1234ze(E).
- Nghiên cứu lý thuyết mô hình tương tác phân tử và phương pháp xác định các đại

lượng đặc trưng của phân tử trong mô hình tương tác phân tử. Nghiên cứu xác định các
3

đại lượng đặc trưng của phân tử trong mô hình tương tác phân tử để xác định bộ số
liệu nhiệt động và thông số năng lượng của các chất R1234ze(Z) và R1243zf.
- Nghiên cứu và đề xuất phương pháp và quy trình lựa chọn, đánh giá và tìm kiếm môi

chất lạnh thay thế cho môi chất hiện đang được sử dụng trong hệ thống điều hồ khơng
khí khơng thân thiện mơi trường và/hoặc có hiệu quả biến đổi năng lượng không cao.
- Nghiên cứu lý thuyết đánh giá hiệu quả biến đổi năng lượng của chu trình lạnh sử dụng

các MCL tiềm năng: R1234ze(Z), R1243zf, R1234ze(E), R1234yf và một số môi chất
truyền thống R134a, R245fa, R152a, R22, R32.

4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng:

Đối tượng nghiên cứu của luận án là một số MCL thay thế tiềm năng dịng HFO
ứng dụng trong lĩnh vực ĐHKK có tính chất nhiệt động tốt, không ảnh hưởng đến con
người và môi trường sống.
- Phạm vi nghiên cứu:
Để có thể đánh giá được khả năng ứng dụng của các môi chất này thì cần có một cơ
sở dữ liệu nhiệt động đầy đủ, chính xác của mơi chất. Phạm vi nghiên cứu của luận án
tập trung cho 04 nội dung bao gồm:
(1) Nghiên cứu một số mơi chất lạnh HydroFluorOlefine(HFO) có ODP = 0 và có chỉ

số GWP thấp. Cụ thể là các môi chất R1234ze(E), R1234ze(Z), R1243zf, R1234yf.
(2) Xác định bộ số liệu nhiệt động cho các chất chưa có bộ số liệu nhiệt động chính

xác (R1234ze(Z) và R1243zf) theo cơ sở lý thuyết của mô hình tương tác phân tử.
(3) Nghiên cứu lý thuyết đánh giá tiềm năng sử dụng 4 MCL thuộc dịng HFO nói

trên trong chu trình hệ thống ĐHKK.
(4) Nghiên cứu thực nghiệm kiểm tra đánh giá khả năng ứng dụng của môi chất

lạnh tiềm năng R1234ze(Z) trong một hệ thống thực.

4


5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Nghiên cứu tìm kiếm và đánh giá MCL thân thiện mơi trường và/hoặc có hiệu suất

biến đổi năng lượng cao là một vấn đề thời sự được các nhà khoa học, các nhà quản lý,
các quốc gia, các tổ chức quốc tế quan tâm. Môi chất thân thiện môi trường, có hiệu
quả biến đổi năng lượng cao khi đưa vào ứng dụng trong thực tế sẽ giúp giảm thiểu ô
nhiễm môi trường và giảm thiểu tác động tiêu cực của các loại MCL đang được sử
dụng đến hiện tượng phá hủy tầng ơ-dơn, gây ra hiện tượng làm nóng địa cầu. Luận án
là một công trình nghiên cứu cơ bản định hướng ứng dụng. Nội dung của luận án đã
tập trung nghiên cứu tìm kiếm đánh giá MCL thay thế, thiết kế chế tạo và thử nghiệm
thiết bị với các môi chất tiềm năng trong điều kiện của Việt Nam. Ý nghĩa khoa học và
thực tiễn của luận án được tóm lược như sau:
Ý nghĩa khoa học:
(1) Luận án đã góp phần làm sáng tỏ về sự liên hệ giữa năng lượng tương tác phân tử

và thông số nhiệt động của môi chất. Luận án đã xây dựng được phương pháp và quy trình
xác định thông số nhiệt động của môi chất theo lý thuyết tương tác phân tử. Luận án cũng
đã xây dựng được phương pháp xác định năng lượng tương tác phân tử bằng thuật toán tối
ưu hoá phi tuyến hàm mục tiêu đa biến. Các đại lượng đặc trưng trong mơ hình tốn học

biểu diễn năng lượng tương tác do lực đẩy, năng lượng tương tác do lực hút và năng lượng
tương tác do sự phân cực phân tử. Các kết quả nghiên cứu từ mô

hình tương tác phân tử này giúp việc thiết lập tính tốn bộ số liệu của mơi chất theo
năng lượng Helmholtz có độ chính xác cao.
(2) Luận án đã xây dựng được phương pháp và quy trình nghiên cứu, tìm kiếm, đánh

giá và lựa chọn MCL tiềm năng để thay thế các môi chất lạnh đang sử dụng không thân

thiện với mơi trường và/hoặc khơng có hiệu quả biến đổi năng lượng cao.
Ý nghĩa thực tiễn:
(1) Luận án đã xây dựng được bộ số liệu nhiệt động có độ chính xác cao cho các môi

chất R1234ze(Z) và R1243zf. Kết quả nghiên cứu thu được là các bộ số liệu có độ chính
xác cao (một trong các kết quả thu được đã được cơng bố trên tạp chí khoa học quốc tế ISI
có uy tín). Bộ số liệu nhiệt động thu được có vai trị quan trọng trong các nghiên cứu và
ứng dụng trong thực tiễn, giúp các nhà khoa học, các kỹ sư trong việc nghiên cứu lý

5


thuyết, nghiên cứu ứng dụng, thiết kế chế tạo, kiểm tra đánh giá các hệ thống thiết bị
sử dụng 2 môi chất trên.
(2) Luận án đã xác định được MCL tiềm năng có khả năng thay thế các mơi chất không

thân thiện với môi trường đang được sử dụng trong các hệ thống lạnh và ĐHKK hiện
nay. Cụ thể: luận án đã tìm ra R1234yf, R1234ze(E), R1243zf là MCL thay thế tiềm
năng và phù hợp cho môi chất R134a và R22 đang được sử dụng hiện nay trong các hệ
thống ĐHKK. Trong đó chất R1243zf có khả năng thay thế tốt nhất.
(3) Luận án đã xác định được ảnh hưởng của một số các thông số, đại lượng đến

hiệu quả biến đổi năng lượng của chu trình lạnh sử dụng các MCL khác nhau theo
nghiên cứu lý thuyết. Đây là cơ sở quan trọng làm tiền đề trong tính tốn, thiết kế,
phân tích, đánh giá hiệu quả và tối ưu hóa vận hành các hệ thống và chu trình lạnh sử
dụng các loại môi chất khác nhau.
(4) Luận án đã xây dựng hệ thống thí nghiệm để làm tiền đề cho các nghiên cứu và

kiểm tra đánh giá khả năng ứng dụng của môi chất lạnh tiềm năng trong một hệ thống
thực. Đã sử dụng MCL tiềm năng hiện có trên thị trường R1234ze(E) để đánh giá hiệu quả
biến đổi năng lượng của chu trình thực có xét tới ảnh hưởng của nhiệt độ nước lạnh.

6.

Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu đề ra phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa

nghiên cứu lý thuyết và kết quả nghiên cứu thực nghiệm đo đạc trên thiết bị thí nghiệm
để kiểm tra đánh giá lý thuyết, cụ thể là:
(1) Khảo sát, tìm hiểu, tổng hợp, phân tích các tài liệu khoa học, các công trình nghiên cứu

mới nhất về MCL thế thệ thứ tư. Để từ đó phân tích đánh giá các xu hướng nghiên cứu

MCL, các cơ sở pháp lý liên quan, các ưu nhược điểm của các hướng nghiên cứu đã có,
trên cơ sở đó kế thừa những kết quả nghiên cứu hiện tại về MCL tiềm năng mà luận án
quan tâm để tiếp tục nghiên cứu, phát triển và hồn thiện những mơi chất tiềm năng mà
chưa được nghiên cứu triệt để hoặc chưa được quan tâm nhiều tính đến thời điểm hiện tại.
(2) Dựa trên mơ hình tốn học tương tác phân tử và một số số liệu đã được công bố,

luận án đã tiến hành nghiên cứu áp dụng thuật toán đơn hình để tối ưu hóa hàm phi tuyến

6


đa tham số để xác định các đại lượng đặc trưng của MCL nghiên cứu trong mô hình
tương tác phân tử.
(3) Phương pháp nghiên cứu lý thuyết đã được ứng dụng trong nghiên cứu này để

xác định các thông số nhiệt động trong vùng lỏng chưa sơi, đường bão hịa, vùng hơi
quá nhiệt dựa trên các đại lượng đặc trưng thu được từ phương pháp nghiên cứu ở trên.
(4) Phương pháp nghiên cứu lý thuyết để nghiên cứu xác định ảnh hưởng của các

đại lượng, thông số đặc trưng trong chu trình lạnh sử dụng các loại MCL khác nhau để
làm cơ sở lựa chọn môi chất, làm cơ sở tính tốn thiết kế và tối ưu hóa vận hành các hệ
thống lạnh sử dụng các loại MCL khác nhau.
(5) Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm

được tiến hành trong nghiên cứu này để so sánh đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết
và thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của một số đại lượng, thông số đến hiệu quả
biến đổi năng lượng của chu trình lạnh.

7.

Các kết quả mới của luận án
Các kết quả mới của luận án về lý thuyết và thực nghiệm:
(1) Luận án đã xây dựng được phương pháp và quy trình xác định thông số nhiệt

động của môi chất theo lý thuyết tương tác phân tử. Kết quả mới và cụ thể thu được từ
đóng góp của luận án này bao gồm:
(1a) Bộ thơng số các đại lượng đặc trưng trong mô hình tương tác phân tử của
R1234ze(Z): T0 = 413,83 K; ρ0 = 4,057 mol/l; α = 1,44 và Q*² = 2,756.

(1b) Bộ thông số các đại lượng đặc trưng trong mô hình tương tác phân tử của
R1243zf: T0 = 326,83 K; ρ0 = 4,375 mol/l; α = 1,39 và Q*² = 1,136.
(1c) Bộ dữ liệu nhiệt động đầy đủ cho vùng lỏng chưa sơi, đường bão hịa, vùng hơi q
nhiệt có độ chính xác cao cho môi chất R1234ze(Z). Bộ số liệu nhiệt động thu được có thể
làm cơ sở cho các nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm và các ứng dụng sau này.
(1d) Bộ dữ liệu nhiệt động đầy đủ cho vùng lỏng chưa sơi, đường bão hịa, vùng hơi q
nhiệt có độ chính xác cao cho mơi chất R1243zf. Bộ số liệu nhiệt động của môi chất R1243zf
đã được cơng bố trên tạp chí khoa học quốc tế ISI. Bộ số liệu nhiệt động thu được có thể làm
cơ sở cho các nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm và các ứng dụng sau này.

7


Bộ số liệu nhiệt động có độ chính xác cao cho các mơi chất R1234ze(Z) và R1243zf có
vai trị quan trọng trong các nghiên cứu và ứng dụng trong thực tiễn. Bộ số liệu này có thể
giúp các nhà khoa học, các kỹ sư trong việc nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu ứng dụng,
thiết kế chế tạo, kiểm tra đánh giá các hệ thống thiết bị sử dụng 2 môi chất trên.
(2) Luận án đã xây dựng được phương pháp và quy trình nghiên cứu, tìm kiếm, đánh

giá và lựa chọn MCL tiềm năng để thay thế các môi chất lạnh đang sử dụng không thân

thiện với môi trường và/hoặc khơng có hiệu quả biến đổi năng lượng cao. Kết quả thu
được từ phương pháp và lưu đồ thuật toán được đề xuất trong nghiên cứu này là môi
chất lạnh thay thế tiềm năng được đánh giá tổng hợp theo nhiều tiêu chí đánh giá khác
nhau. Cụ thể:
(2a) R1234ze(Z) và R245a không thể thay thế trực tiếp cho R22. Riêng R32 có khả
năng thay thế nhưng bị hạn chế bởi chỉ số GWP cao (675). Các môi chất R152a,
R1234yf, R1234ze(E), R1243zf có tiềm năng thay thế cho R22 trong hệ thống ĐHKK.
Trong đó R1243zf là mơi chất có khả năng thay thế tốt nhất vì ngồi tính chất thân
thiện với môi trường, COP của môi chất này chỉ thấp hơn 2,02 %, nhiệt độ đầu đẩy

máy nén thấp hơn 5,92 % và tỉ số nén cao hơn 6,85 % so với R22.
(2b) R32, R1234ze(Z) và R245a không thể thay thế trực tiếp cho R134a. Các mơi
chất R1234yf, R1234ze(E), R1243zf có tiềm năng thay thế cho R134a
+ Trong các môi chất nghiên cứu, R1243zf có khả năng thay thế trực tiếp cho

R134a vì ngồi tính chất thân thiện với mơi trường, các tiêu chí đánh giá về mặt nhiệt
động của mơi chất này so với R134a gần như tương đồng. COP của môi chất này chỉ
thấp hơn 0,52 %, nhưng ưu điểm là nhiệt độ đầu đẩy máy nén thấp hơn 1,33 % và tỉ số
nén thấp hơn 5,82 % so với R134a.
+ Mơi chất R1234ze(E) có khả năng thay thế trực tiếp cho R134a trong các hệ thống

ĐHKK hiện tại. Độ sai lệch của tiêu chí đánh giá về mặt nhiệt động của môi chất này so
với R134a rất nhỏ. COP của môi chất này chỉ thấp hơn 0,83 %, tỉ số nén cao hơn 2,48
% nhưng bù lại nhiệt độ đầu đẩy máy nén thấp hơn 2,06 % so với R134a.
+ Mơi chất R1234yf có khả năng thay thế trực tiếp cho R134a trong các hệ thống

ĐHKK hiện tại. Độ sai lệch của tiêu chí đánh giá về mặt nhiệt động của môi chất này
so với R134a rất nhỏ. COP của môi chất này thấp hơn 9,61 %, nhưng bù lại nhiệt độ
đầu đẩy máy nén thấp hơn 2,63 %, áp suất hơi hút cao hơn 3,09 % so với R134a.
8