Nghiên cứu thực nghiệm việc thay thế môi chất R404A bằng môi chất R407F để tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường

Trong các loại môi chất lạnh dùng thay thế R22, môi chất R404A được sử dụng khá phổ biến trong các hệ thống lạnh nhiệt độ trung bình và thấp tại nước ta. Tuy nhiên, với hệ số GWP=3922 khá cao, môi chất này cũng làm gia tăng hiệu ứng nhà kính nên hiện nay các nước Châu Âu đang tiến hành cắt giảm việc sản xuất loại môi chất này.

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VIỆC THAY THẾ MÔI CHẤT R404A BẰNG MÔI CHẤT R407F ĐỂ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG THE FEASIBILITY STUDY OF RETROFITING R404A REFRIGERANT TO R407F TO IMPROVE ENERGY SAVING AND PROTECT ENVIRONMENT Nguyễn Thế Bảo1, Nguyễn Duy Tuệ2, Đào Huy Tuấn3 Viện Phát triển Năng lượng Bền vững ISED, Việt Nam Trường Đại Học Văn Lang, 3Trường Đại học Tơn Đức Thắng, Việt Nam Ngày tồ soạn nhận 28/7/2017, ngày phản biện đánh giá 16/8/2017, ngày chấp nhận đăng 18/8/2017 TĨM TẮT Trong loại mơi chất lạnh dùng thay R22, môi chất R404A sử dụng phổ biến hệ thống lạnh nhiệt độ trung bình thấp nước ta Tuy nhiên, với hệ số GWP=3922 cao, môi chất làm gia tăng hiệu ứng nhà kính nên nước Châu Âu tiến hành cắt giảm việc sản xuất loại mơi chất Do đó, với hệ số GWP=1824, thấp 50% so với R404A môi chất R407F môi chất sử dụng để thay R404A Kết thực nghiệm cho thấy rằng, thay hệ thống lạnh sử dụng R404A R407F suất lạnh tăng, công nén giảm khoảng 7%, giúp tiết kiệm lượng từ 10% trở lên, làm giảm thời gian làm lạnh sản phẩm mà không cần thay thiết bị hệ thống lạnh Tuy nhiên, với lưu lượng khối lượng tuần hoàn thấp 40% so với R404A nên cần cân chỉnh van tiết lưu để phù hợp vận hành Từ khóa: mơi chất R404A; hiệu ứng nhà kính; tiết kiệm lượng; suất lạnh; bảo vệ môi trường ABTRACT Among refrigerants to replace R22, R404A has been using broadly in mid and low temperature refrigeration systems in our country However, with its high GWP=3922, this refrigerant also increases greenhouse effect and hence its production quantity is limited in Euroupe countries For that reason, possessing the lower GWP of 1824,which is 50% compared with that of R404A, R407F is amid competitive refrigerants for this replacement Experimental result shows that if we replace the existing R404A with R407F in a being used cooling system, cooling load will be higher along with approximately 7% compression work reduction leading to increasing energy saving from 10% up than the old ones, and cooling time would be cut-down without refrigeration’s major components substitution Nevertheless, with mass flow less than 40% of that of R404A, one should adjust expansion valve to have suitable operation for this refrigerant Keywords: R404A refrigerant; greenhouse effect; energy saving; cooling load; evironmental protection ĐẶT VẤN ĐỀ Môi chất HFC 404A hỗn hợp 44%R125, 4%R134a, 52%R143A, có hệ số GWP=3922, khơng độc hại, không cháy, dùng thay môi chất R22 dải nhiệt độ thấp trung bình Hiện nay, mơi chất R404A sử dụng rộng rãi nước ta Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh hệ thống lạnh siêu thị, đơng lạnh thủy sản Tuy nhiên, bối cảnh nay, cần giảm thiểu chất gây hiệu ứng nhà kính tiết kiệm lượng mơi chất R407F nghiên cứu sử dụng nhiều nước giới Thêm vào đó, việc cắt giảm sản xuất loại môi chất R404A, R134a, R507 nên giá thành tăng 60%, hãng mơi chất Honeywell dự tính ngừng sản xuất môi chất Châu Âu [1,2] Môi chất R407F có GWP=1824, mơi chất hỗn hợp (30%R32, 30%R125, 40%R134a), khơng độc hại, khơng cháy, có độ trượt nhiệt độ từ 3-6K tùy thuộc áp suất vận hành Việc dị tìm chỗ rị rỉ mơi chất dễ dàng so với R404A nồng độ R134a cao hỗn hợp mơi chất R407F tương thích với đầu dị mơi chất R134a Ngồi ra, với nồng độ R134a môi chất R407F cao gấp 10 lần so với môi chất R404A nên hạn chế số lần phải xả bỏ hồn tồn lượng mơi chất hệ thống bị rò rỉ Theo ý kiến nhà máy sử dụng R407F để thay môi chất cho hệ thống R404A, họ đánh giá cao việc thay Ví dụ nhà máy Valentin Refrigerant (Pháp), Tewis Smart Solution Internation (Tây Ban Nha), Verco (UK) thay môi chất R404A sử dụng R407F chung nhận định rằng, việc thay môi chất dễ dàng, giúp tiết kiệm lượng từ 10% trở lên CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sau đây, báo thiết kế hệ thống lạnh sử dụng môi chất R404A, sau thay mơi chất R407F với thơng số sau: Kho lạnh bảo quản sử dụng chu trình lạnh cấp, nhiệt độ bảo quản -13oC, suất lạnh Qo=800W, nhiệt độ mơi chất bão hịa áp suất bay to=-20oC, nhiệt độ môi chất bão hòa áp suất ngưng tụ tk=45oC, độ nhiệt hữu ích 10K, độ nhiệt đường ống hút 10K, hiệu suất nén 70%, hiệu suất thể tích 65%, sử dụng ống đồng có đường kính sau: ống hút d hút=10 mm, ống dẫn lỏng d lỏng =10 mm, ống nén d nén = mm Theo [3,4] ta tính tốn thơng số kỹ thuật sau: - Lưu lượng khối lượng G= 0,0083 (kg/s) - Nhiệt lượng thải khỏi thiết bị ngưng tụ, Qk=1,39 (kW) - Thể tích hút lý thuyết máy nén, Vlt=3.33 (m3/h) - Công suất nén N= 510 W - Hệ số làm lạnh COP = 1,56 Ta chọn máy nén Teccumseh, mã hiệu T2178GK, sử dụng môi chất R404A, dầu nhớt bôi trơn Polyeste (POE), thể tích chứa dầu 580cc, thể tích qt Vlt=3,47m3/h, cơng suất động N=1HP, số vòng quay 2800 vòng/phút Trong nghiên cứu phân tích lý thuyết khả thay hệ thống lạnh dùng môi chất R404A R407F để Với thể tích quét máy nén có đánh giá tổng quan, sau tiến Vlt=3,47m3/h, ta tính thơng số vận hành đo đạc, phân tích thơng số hành với mơi chất R404A thay hình thực nghiệm để đưa nhận định cho R407F ta có kết sau: việc thay Bảng Thông số kỹ thuật hệ thống sau tính tốn Thơng số Áp suất ngưng tụ, (bar), (%-R404A) Áp suất bay hơi, (bar), (%R404A) Nhiệt độ cuối tầm nén, (oC), (%-R404A) Năng suất lạnh, (W), (%-R404A) Công suất thải nhiệt khỏi TBNT, (kW), (%-R404A) Công suất máy nén, (W), (%-R404A) Môi chất R404A 20,44 (100%) (100%) 86,2 (100%) 830(100%) 1450 (100%) 530 (100%) R407F 19,53 (95,5%) 2,46 (82 %) 112,4(130%) 880(102%) 1440 (99,3%) 500(93,8%) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Hệ số làm lạnh COP, (%-R404A) Lưu lượng khối lượng môi chất G,(kg/s), (%-R404A) Vận tốc môi chất đường ống hút, (m/s) Vận tốc môi chất ống dẫn lỏng, (m/s) Vận tốc môi chất ống đẩy, (m/s) Tổn thất áp suất đường ống hút, (Pa/m), (%R404A) Tổn thất áp suất đường ống lỏng, (Pa/m), (%R404A) Tổn thất áp suất đường ống đẩy, (Pa/m), (%R404A) Thể tích riêng mơi chất vào máy nén, v”1’(m3/kg) Với hệ thống R404A thay R407F thì: suất lạnh tăng 2%, COP tăng 9,3% nhiên nhiệt độ cuối tầm nén tăng 30% Ngoài ra, tổn thất áp suất đường ống hút, ống đầy, ống dẫn lỏng giảm Trong đó, tổn thất áp suất ống dẫn lỏng giảm gần 60%, điều tránh tình trạng bay sớm ống dẫn lỏng, giúp đường ống xa Ngoài ra, nhiệt lượng thải khỏi thiết bị ngưng tụ giảm 0,7% nên khơng ảnh hưởng đến q trình làm việc hệ thống Tuy nhiên, lưu lượng khối lượng hệ thống vận hành môi chất R407F giảm 40% nên cần thay cân chỉnh lại van tiết lưu để đáp ứng thông số vận hành yêu cầu Sau đây, báo tiến hành phân tích thực nghiệm đánh giá kết vận hành việc thay mơi chất R404A có R407F XÂY DỰNG MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM 1,56 (100%) 0,0087 (100%) 7,8 0,12 3,71 806,46 (100%) 19,65 (100%) 1778,34 (100%) 0,072 1,76(109,3%) 0,0059 (67,8%) 7,8 0,07 3,66 591,42(73,3%) 9,48 (48,2%) 1281,56(72%) 0,106 Để tiến hành đo đạc, tính tốn ta sử dụng loại cảm biến thiết bị đo đạc sau: - Áp kế: Đo đạc áp suất ngưng tụ bay hơi, hãng Coolmax - Cảm biến nhiệt độ: Lắp đầu đẩy máy nén, ông hút khỏi dàn lạnh, ngõ vào dàn lạnh hãng Dixell XR60C (Ý) - Cảm biến độ ẩm: Lắp đặt ngõ vào dàn lạnh, mã hiệu DHC100, độ xác ±5% - Ampe kẹp: Đo cường độ dòng điện máy nén, hãng Kyorisu - Công tơ điện: Đo đạc lượng tiêu thụ hệ thống, hãng EVN, có dán tem kiểm định Ta có sơ đồ hệ thống lạnh vị trí lắp cảm biến sau: Ta có kho lạnh kích thước x 1,2 x 1,8m sử dụng máy nén pít-tơng kín 1HP hãng TECHCUMSEH, mơi chất R407F hãng Honeywell Genetron Performax-LT R404A Ấn Độ Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh vị trí lắp cảm biến Theo [5] ta tính thơng số sau: Hình Mơ hình kho lạnh mơi chất lạnh R407F sử dụng thí nghiệm Năng suất lạnh Qo (kW) tính tốn dựa entanpi vào, IvDL, IrDL (kJ/s) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh lưu lượng gió GkkDL dàn lạnh (kg/s) Lưu lượng quạt dàn lạnh mơ hình đo đạc thực tế 500 (m3/h) phút để đạt nhiệt độ -13,5oC (lúc hệ thống sử dụng R407F đạt nhiệt độ 14,6oC) Qo= GkkDL.(IvDL – IrDN) 4.2 So sánh áp suất môi chất vận hành (1) Công suất máy nén N (W) dựa điện áp U (Volt) cường độ dòng điện đo I (A), với hệ số cơng suất 0,85 N=U.I.0,85 (2) PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Ban đầu, kho lạnh vận hành mơi chất R404A, sau rút môi chất nạp R407F Kho lạnh đặt phịng thí nghiệm có nhiệt độ mơi trường xung quanh vận hành dao động từ 30~31,5oC nên không ảnh hưởng nhiều đến kết thực nghiệm so sánh Do lưu lượng khối lượng thay R407F nhỏ 40% so với R404A, nên thí nghiệm này, vận hành với mơi chất R407F vít điều chỉnh van tiết lưu nhiệt siết vào 1,5 vòng, ta có kết vận hành sau: 4.1 Đánh giá nhiệt độ kho lạnh trình vận hành Hình Sự thay đổi áp suất hệ thống theo nhiệt độ kho lạnh Ban đầu khởi động, phụ tải lạnh kho lạnh cao nên áp suất hệ thống R407F tăng, với áp suất (tuyệt đối) ngưng tụ 20~21(bar) bay 3,9~4,1(bar), áp suất ngưng tụ bay hệ thống R404A 20~21,3(bar), 3,6~3,8 (bar) Tuy nhiên, nhiệt độ kho lạnh 0oC, áp suất hệ thống R407F giảm dần nhiệt độ kho lạnh t=-13,5oC pk/po 19/2,7 (bar) Lúc này, áp suất pk/po hệ thống R404A là: 19,4/3,1 (bar) 4.3 So sánh nhiệt độ cuối tầm nén Hình Sự thay đổi nhiệt độ kho lạnh Khi bắt đầu vận hành, nhiệt độ kho lạnh 29oC, trình vận hành hệ thống R407F, ta 40 phút để hạ nhiệt độ xuống 0oC (nhiệt độ hệ thống R404A 2,9oC), thêm 90 phút để kho lạnh đạt nhiệt độ -13,5oC (nhiệt độ hệ thống R404A lúc -12,2oC) Trong đó, hệ thống R404A, để hạ nhiệt độ xuống 0oC phải 47 phút thêm 137 Hình Nhiệt độ cuối tầm nén trình vận hành Nhiệt độ cuối tầm nén vận hành hệ thống R407F cao 16~20% so với R404A Tại nhiệt độ kho lạnh -13,5oC, nhiệt độ cuối tầm nén R404A R407F lần Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh lượt 92oC, 108oC Do đó, thay môi chất R407F ta nên lắp thêm quạt giải nhiệt đầu đẩy máy nén để hạ nhiệt độ cuối tầm nén 4.4 So sánh suất lạnh Qo, nhiệt lượng thải khỏi dàn ngưng tụ Qk, công suất nén N, COP Khi ban đầu khởi động, hệ thống sử dụng R407F thu nhiệt lượng lớn, dẫn đến suất lạnh, nhiệt lượng thải thiết bị ngưng tụ, công suất nén, áp suất ngưng tụ bay tăng cao Theo đo đạc, cường độ dòng điện lúc đầu nhiệt độ dương hệ thống R407F 4,1~4,27A, R404A 3,7~3,95A Ở khoảng nhiệt độ -10oC trở xuống, công nén giảm dần thấp so với hệ thống R404A khoảng 6~7% cường độ dòng điện máy nén R407F nhiệt độ 13,5oC 3,14A, R404A 3,37A Tại chế độ tải lạnh ổn định từ nhiệt độ -12oC trở xuống nhiệt lượng Qk hệ thống tương đương nhau, nên áp suất ngưng tụ hệ thống R407F ổn định 19bar thấp so với lúc ban đầu Lúc ban đầu, nhiệt lượng thu vào R407F cao nên hệ số COP cao so với R404A, nhiên hệ số COP R407F giảm nhanh khoảng nhiệt độ 10oC đến 5oC, nhiệt độ từ -12oC COP cao so với R404A khoảng 23% Do đó, nhiệt độ kho lạnh vận hành R407F giảm nhanh hơn, phân tích hình Tuy nhiên, để đánh giá lượng hệ thống, ta phân tích hình sau Hình Sự thay đổi suất lạnh Qo nhiệt lượng Qk vận hành PHÂN TÍCH NĂNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG Năng lượng hệ thống đo đạc công tơ điện theo thời điểm nhiệt độ kho lạnh sau: Hình Năng lượng tiêu thụ hệ thống lạnh Hình Cơng suất nén hệ số làm lạnh COP hệ thống Để đạt nhiệt độ kho lạnh 0oC, lượng tiêu thụ hệ thống R404A cao khoảng 15,4% so với R407F Nhiệt độ giảm, mức lượng tiêu thụ R404A tăng dần suất lạnh thấp so với Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 44B(10/2017) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh R407F nên làm tăng thời gian làm lạnh, lúc công nén máy nén cao gần 6~7% so với R407F 5.2 Đánh giá độ nhiệt dàn lạnh vận hành c Do lưu lượng khối lượng môi chất R407F nhỏ 40% so với R404A nên ta thay cần phải cân chỉnh lại độ nhiệt van tiết lưu nhiệt Nếu hệ thống sử dụng van tiết lưu điện tử ta khơng cần phải điều chỉnh Khi vận hành môi chất R407F, van tiết lưu được cân chỉnh cách siết vít điều chỉnh độ nhiệt 1,5 vòng Vào thời điểm vận hành lúc đầu, độ nhiệt hệ thống cao 10K, giảm dần theo thời gian Khi nhiệt độ kho lạnh giảm -12oC độ nhiệt hệ thống R407F cịn trì mức 7,8~8K cịn R404A mức 3,6~4,6K Như vậy, độ nhiệt đảm bảo hệ thống không bị ngập lỏng vận hành d Nhiệt độ cuối tầm nén môi chất R407F cao R404A, vận hành nhiệt độ cuối tầm nén cao 100oC ta nên lắp thêm quạt giải nhiệt đầu đẩy máy nén để làm giảm nhiệt độ để tránh ảnh hưởng đến dầu nhớt bôi trơn f Lượng môi chất R407F nạp vào hệ thống nhiều khoảng 7% so với môi chất R404A Khi bắt đầu nạp môi chất, nên nạp 85% lượng mơi chất u cầu, sau ta nạp bổ sung máy hoạt động theo thông số yêu cầu Lưu ý: Mỗi lần nạp bổ sung nạp thêm khoảng 5% lượng môi chất, sau kiểm tra tình trạng hệ thống đạt thông số vận hành mong muốn, [7,8] KẾT LUẬN Khi thay hệ thống R404A R407F báo rút số vấn đề sau: a Năng suất lạnh hệ thống tăng, công nén giảm khoảng 6~7% so với hệ thống R404A nên giúp tiết kiệm lượng vận hành từ 10% trở lên b Nhiệt lượng thải thiết bị ngưng tụ hệ thống R407F tương đương với R404A nên không cần phải thay thiết bị ngưng tụ e Do dầu bôi trơn môi chất R404A dùng Polyester (POE) Đây loại dầu mà môi chất R407F sử dụng, nên ta không cần phải thay dầu bơi trơn, [6] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] http://www.coolingpost.com/world-news/r404a-price-rises-62-in-a-month/ http://www.coolingpost.com/world-news/price-of-r404a-to-double-next-month/ Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Kỹ thuật lạnh sở, NXB Giáo dục 2009 Dupon Company, Dupon Refrigerant Expert 4.0, Refrigerant Software Lê Chí Hiệp, Kỹ thuật điều hịa khơng khí, NXB Khoa học kỹ thuật 2007 Nguyễn Đức Lợi, Gas, dầu chất tải lạnh, NXB Giáo dục 2009 Nguyễn Đức Lợi, Sửa Chữa Máy Lạnh Và Điều Hịa Khơng Khí, NXB KHKT 2008 Honeywell Company, Properties, Guidelines, and Retrofits, Tài liệu lưu hành nội Tác giả chịu trách nhiệm viết: Nguyễn Thế Bảo Viện Phát triển Năng lượng Bền vững ISED Email: drthebao@gmail.com ... thay môi chất R404A sử dụng R407F chung nhận định rằng, việc thay môi chất dễ dàng, giúp tiết kiệm lượng từ 10% trở lên CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sau đây, báo thiết kế hệ thống lạnh sử dụng mơi chất R404A, ... nén để làm giảm nhiệt độ để tránh ảnh hưởng đến dầu nhớt bôi trơn f Lượng môi chất R407F nạp vào hệ thống nhiều khoảng 7% so với môi chất R404A Khi bắt đầu nạp môi chất, nên nạp 85% lượng mơi chất. .. nhiều đến kết thực nghiệm so sánh Do lưu lượng khối lượng thay R407F nhỏ 40% so với R404A, nên thí nghiệm này, vận hành với mơi chất R407F vít điều chỉnh van tiết lưu nhiệt siết vào 1,5 vịng,