Phân tích lý thuyết việc thay thế môi chất R134A trong dãi nhiệt độ trung bình bằng môi chất R450A để bảo vệ môi trường

122 PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT VIỆC THAY THẾ MÔI CHẤT R134A TRoNG DÃI NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH BẰNG MÔI CHẤT R450A ĐỂ BẢo VỆ MÔI TRƯỜNG Nguyễn Duy Tuệ1 Đỗ Trí Nhựt2 Tóm tắt: Bài báo phân tích lý thuyết khả năng thay thế môi chất R134a (có chỉ số làm nóng địa cầu GWP là 1300) đang được sử dụng rộng rãi trong các tủ lạnh gia đình bằng các môi chất R450a (GWP=547). Việc phân tích nhằm so sánh tính chất nhiệt động, nhiệt độ cuối tầm nén, năng suất lạnh riêng thể tích, năng suất lạnh, công nén và hệ số lạnh khi thay thế cho một hệ thống lạnh đang sử dụng R134a với các điều kiện: nhiệt độ ngưng tụ 50oC, các dãi nhiệt độ bay hơi khác nhau -20, -15, -10, -5 và 0oC, độ quá lạnh 5K, độ quá nhiệt 10K với máy nén Copeland, mã hiệu CS18K6E-PFJ. Kết quả phân tích cho thấy rằng hệ số COP của R450a giảm không đáng kể, chỉ từ 0,15~0,82%, nhiệt độ cuối tầm nén giảm 6~8%, công suất thải nhiệt dàn ngưng giảm từ 13~14%. Ngoài ra, ta không cần phải thay thế các thiết bị trao đổi nhiệt, đường ống dẫn. Từ khóa: Môi chất R450a, thay thế môi chất R134a, tủ lạnh gia đình, bảo vệ môi trường. 1. Mở đầu Trước đây, các loại môi chất Clo-Flo-Cacbon (CFC) và Hydro-Clo-Flo-Cacbon (HCFC) với hệ số phá hủy tầng ozon (ODP) và chỉ số làm nóng địa cầu (GWP) khá cao được dùng rất nhiều trong hệ thống lạnh. Hiện nay, các môi chất CFC đã bị cấm sử dụng, và môi chất HCFC sẽ bị cấm tại nhiều nơi trên thế giới vào năm 2020. Do đó, R134a là loại môi chất Hydro-Flo-Cacon (HFC) được xem là môi chất lạnh quá độ vì có chỉ số làm nóng địa cầu khá cao (GWP=1300), và đang được sử dụng khá nhiều trong các loại tủ lạnh, tủ kính lạnh thương nghiệp tại Việt Nam. Tại Việt Nam hiện nay, môi chất R600a đang được thay thế cho R134a. M El-Morsi [1] đã phân tích lý thuyết việc sử dụng môi chất Hydrocacbon (HC) để thay thế R134a, kết quả cho thấy rằng R600a có hệ số làm lạnh COP cao hơn R134a là 4%. Đây là loại môi chất có hệ số phá hủy tầng ozon ODP=0, chỉ số làm nóng địa cầu GWP=3, tuy nhiên đây là loại môi chất dễ cháy nổ loại A3 theo đánh giá của ASHRAE Safety Group (2013) nên bị hạn chế trong việc sử dụng. Do đó, môi chất R450a là loại môi chất không gây cháy, với hệ số làm nóng địa cầu GWP=547, giảm gần 60% so với R134a, sẽ được các tác giả phân tích. Các thông số như tính chất nhiệt động, nhiệt độ cuối tầm nén, năng suất lạnh riêng thể tích, năng suất lạnh, công nén và hệ số làm lạnh sẽ được so sánh với một hệ thống lạnh đang sử dụng môi chất R134a, 1. ThS., Trường Đại Học Văn Lang 2. TS., Trường Đại Học Văn Lang 123 NGuYễN DuY TuỆ, Đỗ TRí NHỰT máy nén Copeland, mã hiệu CS18K6E-PFJ . Qua đó, các tác giả đưa ra nhận định cho khả năng thay thế R134a. Các tác giả sử dụng tài liệu hãng môi chất lạnh Honeywell, phần mềm Genetron Property 1.4 của hãng để tra các thông số nhiệt động môi chất lạnh, sau đó dùng các công thức tính toán để thực hiện so sánh và đánh giá. Những nội dung sau đây của bài báo: trong phần 2 sẽ là phần so sánh tính chất nhiệt động của 2 loại môi chất và phân tích chu trình lạnh, sau đó phần 3 là kết quả và thảo luận. Cuối cùng là phần kết luận. 2. So sánh tính chất nhiệt động và phân tích chu trình lạnh 2.1. So sánh tính chất nhiệt động của môi chất R450a và R134a Theo [2] , môi chất R134a được sử dụng để thay thế cho môi chất loại CFC và HCFC. Đây là loại môi chất an toàn, không gây cháy nổ, có hiệu suất và năng suất lạnh tương tự môi chất R12 được sử dụng rộng rãi trong các tủ lạnh gia đình và các tủ kính lạnh thương nghiệp. Môi chất này không phá hủy tầng Ozon nhưng có chỉ số làm nóng địa cầu GWP khá cao (GWP=1300). Để làm giảm hệ số GWP, theo [3], ta có thể hòa trộn với một môi chất lạnh có hệ số GWP thấp hơn. GWPMIX = GWPA x wA + GWPB x wB (1) Trong đó: GWPMIX là giá trị GWP của môi chất sau khi hòa trộn; GWPA , GWPB là giá trị GWP của môi chất A và B tương ứng; wA và wB là nồng độ tính theo khối lượng hỗn hợp của từng loại môi chất A và B tương ứng. Như vậy, môi chất R450a là môi chất lạnh hỗn hợp của 42% R134a + 58% R1234ze. Theo [2], môi chất R1234ze có tính chất nhiệt động tương tự với R134a, có hệ số GWP<1, nhưng nếu thay thế trực tiếp vào một hệ thống R134a có sẵn thì hệ số làm lạnh COP sẽ giảm đi từ 16-18%. Do đó, theo (1), hệ số GWP của hỗn hợp R450a là 547, thấp hơn 60% so với R134a. Môi chất R450a có độ trượt nhiệt độ khá thấp khoảng 0,4o-0,7oC, bảng 1 so sánh tính chất của R450a và R134a. Bảng 1. So sánh tính chất R450a và R134a Hạng mục R450a R134a Công thức hóa học 42%/58% (R-134a/R-1234ze) CH 2 FCF 3 Phân tử lượng, kg/mol 108,6 102,3 Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển, oC -23,1 -25,9 Nhiệt độ tới hạn, oC 104,4 101,6 áp suất tới hạn, bar 38,2 40,6 Thể tích riêng tại điểm tới hạn, m3/kg 0,002032 0,002 Nhiệt dung riêng của lỏng tại 25oC, kJ/kg.K 1,404 1,425 Nhiệt dung riêng của hơi tại 25oC, kJ/kg.K 1 0,851 124 PHÂN TíCH LÝ THuYẾT VIỆC THAY THẾ MôI CHẤT R134a... Hệ số dẫn nhiệt của lỏng tại 25oC, W/m.K 0,0764 0,081 Hệ số dẫn nhiệt của hơi tại 25oC, W/m.K 0,0139 0,0138 Độ nhớt của lỏng tại 25oC, µPa.s 194,2 197,9 Độ nhớt của hơi tại 25oC, µPa.s 12,2 11,8 Nhóm an toàn A1 A1 Giới hạn bắt lửa dưới LFL, % Không cháy Không cháy Màu sắc Không màu Không màu Các ứng dụng chính Tủ lạnh thương nghiệp, điều hòa không khí, Tầng trên của máy lạnh ghép tầng Tủ kính lạnh thương nghiệp, điều hòa không khí ô tô. Tính chất nhiệt động của 2 loại môi chất này được biểu diễn ở các hình 1-4, theo những thông số: áp suất hơi bão hòa, nhiệt ẩn hóa hơi, khối lượng riêng của lỏng và hơi, độ nhớt của lỏng và hơi, hệ số dẫn nhiệt của lỏng và hơi với dãi nhiệt độ từ -20oC đến 80oC. Theo đồ thị của hình 1a, áp suất hơi bão hòa của R134a cao hơn khoảng 12% so với R450a. Do đó, khi thay môi chất R450a vào hệ thống R134a có sẵn ta không cần phải thay đổi bề dày của thiết bị. Đối với nhiệt ẩn hóa hơi theo hình 2b, trong dãi nhiệt độ từ -20oC đến 10oC nhiệt ẩn hóa hơi của R134a cao hơn R450a khoảng 4,5 – 5% điều này dẫn đến năng suất lạnh riêng của R134a cũng cao hơn một chút. Hình 1a, b. Sự thay đổi của thông số nhiệt động theo nhiệt độ: (a) áp suất hơi bão hòa, (b) Nhiệt ẩn hóa hơi Tại nhiệt độ 40-50oC nhiệt ẩn hóa hơi của R134a chỉ cao hơn 3,5-3,9% so với R450a, đây cũng là dãi nhiệt độ vận hành của thiết bị ngưng tụ. Do đó, nhiệt lượng thải ra của R450a cũng nhỏ hơn R134a nên ta không cần phải thay thế thiết bị ngưng tụ khi thay bằng môi chất R450a. Khối lượng riêng của lỏng và hơi dựa trên sự thay đổi nhiệt độ được thể hiện ở hình 2a,b. Môi chất R134a có khối lượng riêng của lỏng hơn hơn từ 8,5-9% so với R450a, nên lượng môi chất R450a nạp vào hệ thống R134a sẽ ít hơn tương ứng. Ngoài ra, khối (a) (b) 127 NGuYễN DuY TuỆ, Đỗ TRí NHỰT 10K. Nhiệt độ ngưng tụ: 50oC, độ quá lạnh xảy ra trong TBNT là 5K. Trên đường ống không xảy ra hiện tượng mất nhiệt, không có tổn thất áp trên đường ống, thiết bị trao đổi nhiệt. Hiệu suất thể tích ηV = 0,8; hiệu suất nén ηc = 0,75. Máy nén Copeland mã hiệu CS18K6E-PFJ có thông số như sau: số vòng quay n=2800 vòng/phút, thể tích xy lanh V = 61,4 cc, sử dụng dầu polyeste. Theo [4], khi có h 4 và h1 (kJ/kg) là entanpi của môi chất khi đi vào và ra khỏi dàn lạnh, ν1 là thể tích riêng của môi chất ra khỏi dàn lạnh, thì năng suất lạnh riêng thể tích Qv (kJ/m3) được tính như sau: Q v =(h1-h4) /ν1 (2) Tỷ số nén π là tỷ số giữa áp suất ngưng tụ pk (bar) và áp suất bay hơi po (bar) [2] Hệ số làm lạnh COP được tính dựa trên năng suất lạnh Q o (kW) và công suất nén N (kW): COP = Q o /N (3) Dựa trên lưu lượng khối lượng của môi chất hút vào máy nén G (kg/s), entanpi của môi chất khi đi vào và ra khỏi dàn lạnh h 4 và h1 (kJ/kg), ta tính được năng suất lạnh Qo (kW): Q o = G x (h1-h4) (4) Khi đã có entanpi của môi chất ra khỏi máy nén h 2 (kJ/kg) trong quá trình nén thực, entanpi của môi chất hút vào máy nén h1 (kJ/kg), ta có công nén: W = G x ( h 2 -h1) (5) Nếu có hiệu suất nén η c , entanpi đi vào máy nén h1 (kJ/kg), entanpi ra khỏi máy nén h 2s của quá trình nén đoạn nhiệt thuận nghịch thì entanpi ra khỏi máy nén trong quá trình nén thực tế như sau: h 2 = h1 + (h2s – h1)/ηc (6) Dựa trên thể tích của xy lanh V (m3), số vòng quay của máy nén n (vòng/p), hiệu suất thể tích ηV , khối lượng riêng của môi chất khi hút vào máy nén δ1 (kg/m 3), ta tính được lưu lượng khối lượng của môi chất hút vào máy nén G(kg/s): G= V x n x δ 1 x η V /60 (7) Nhiệt lượng tỏa ra khỏi thiết bị bay hơi Q k (kW) được tính khi ta có entanpi của môi chất đi vào thiết bị ngưng tụ h 2 và entanpi của môi chất ra khỏi thiết bị ngưng tụ h 3 Q k = G x ( h 2 – h 3 ) (8) Nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ ngưng tụ của môi chất R450a được tính theo nhiệt độ trung bình theo tiêu chuẩn AHRI 450 về kiểm tra và đánh giá máy nén. Những thông số 130 PHÂN TíCH LÝ THuYẾT VIỆC THAY THẾ MôI CHẤT R134a... 4. Kết luận Dựa vào việc phân tích, đánh giá các thông số trên ta có thể thay thế môi chất R450a vào hệ thống R134a có sẵn và các tác giả rút ra một số đặc điểm khi thay thế môi chất như sau: a. Năng suất lạnh khi thay bằng R450a sẽ giảm 13~14% so với R134a. Tuy nhiên, công nén của nó cũng giảm từ 13~14% điều này làm cho việc thay đổi hệ số COP không đáng kể. Do đó, không ảnh hưởng đến năng lượng khi vận hành. b. Nhiệt độ cuối tầm nén của môi chất R450a giảm từ 6~8% so với R134a, giúp tránh bị lão hóa dầu nhớt bôi trơn. c. Ta không cần phải thay đổi dàn bay hơi, dàn ngưng tụ vì năng suất lạnh, nhiệt lượng thải ra khỏi thiết bị ngưng tụ của R450a nhỏ hơn 13~14% so với R134a. d. Khi thay bằng môi chất R450a, ta vẫn đảm bảo được dầu nhớt bôi trơn hồi về hệ thống, vì thể tích riêng của hơi R450a cao hơn 8,7~9% so với R134a, làm tăng vận tốc trong đường ống dẫn môi chất. e. Do khối lượng riêng của R134a cao hơn khoảng 9% so với R450a, nên lượng môi chất khi nạp R450a cũng giảm tương ứng. f. Ta không cần phải thay đổi dầu nhớt bôi trơn vì cả 2 môi chất này đều sử dụng dầu Polyeste. TÀI LIỆU THAM KHẢo [1] El-Morsi M (2015), “Energy and exergy analysis of LPG (liquefied petroleum gas) as a drop in replacement for R134a in domestic refrigerators”. Energy 2015; page: 344–353. [2] Zhaofeng Meng, Hua Zhang, Jinyou Qiu and Mingjing Lei (2016), Theoretical analysis of R1234ze(E), R152a, and R1234ze(E)/R152a mixtures as replacements of R134a in vapor compression system “, Advances in Mechanical Engineering, vol 8, page : 1-10. [3] Tài liệu kỹ thuật của hãng môi chất lạnh Honeywell (2018). [4] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy (2006), “Kỹ thuật lạnh cơ sở”, Nhà xuất bản giáo dục. 131 NGuYễN DuY TuỆ, Đỗ TRí NHỰT Title: THEoRETICAL ANALYSIS oF THE REFRIGERANT REPLACEMENT oF R134A BY R450A FoR ENVIRoNMENTAL PRoTECTIoN NGuYEN DuY TuE DO TRI NHuT Van Lang University Abstract: The paper theoretically analyses the possibility of replacing R134a (with the global warming potential (GWP) of 1300), which is being widely used in household refrigerators, with R450a (GWP = 547). The analysis is aimed at comparing thermodynamic properties, temperature at the end of compression, specific volume cooling capacity, cooling capacity, compression work and coefficient of performance when an R134a refrigeration system is replaced by an R450a in the conditions of condensing temperature of 50oC; different evaporating temperature ranges -20, -15, -10, -5 and 0oC, freezing temperature of 5K, overheating temperature of 10K with Copeland compressor, code CS18K6E-PFJ. The analysis shows that the COP of the R450a does not reduce significantly, only from 0.15 ~ 0.82%; the temperature at the end of compression goes down by 6 ~ 8%, the heat rejection capacity of the condenser is down from 13 ~ 14 %. Besides, it is not necessary to replace heat exchangers and pipelines. Keywords: R450a, R134a replacement, household refrigerators, environmental protection