Trong các hệ thống làm lạnh, các cuộn dây ngưng tụ là nơi phần lớn nhiệt lượng được thải ra trong quá trình vận hành. Khi máy nén bơm chất làm lạnh thành dạng hơi nóng, nó sẽ chảy trực tiếp vào những cuộn dây này. Trong quá trình đó, hệ thống mất nhiệt vào môi trường xung quanh thông qua cả tiếp xúc trực tiếp và sự lưu thông không khí xung quanh các cuộn dây. Thiết kế của các bộ ngưng tụ hiện đại bao gồm diện tích bề mặt lớn nhờ những cánh tản nhiệt bằng kim loại nhỏ mà chúng ta thường thấy nhô ra. Các vật liệu như đồng hoặc nhôm thường được sử dụng vì chúng dẫn nhiệt rất tốt. Theo tiêu chuẩn ngành, khoảng hai phần ba lượng nhiệt mà chất làm lạnh hấp thụ thực tế được giải phóng tại đây. Các thiết bị thương mại thường có quạt lớn hơn thổi qua các cuộn dây, giúp làm mát nhanh hơn khi hệ thống phải hoạt động với công suất cao. Việc thiết kế phần này một cách chính xác đảm bảo chất làm lạnh đi ra ở đúng nhiệt độ cần thiết để có thể chuyển hoàn toàn trở lại dạng lỏng một cách phù hợp.
Khi môi chất làm lạnh trở nên mát hơn bên trong cụm ngưng tụ, nó chuyển trạng thái từ dạng hơi trở lại thành dạng lỏng. Hiện tượng mà chúng ta gọi là quá làm lạnh (subcooling) xảy ra khi chất lỏng này được làm mát thêm nữa, vượt quá điểm nhiệt độ bão hòa. Bước làm lạnh bổ sung này ngăn ngừa sự hình thành khí flash ngay trước khi đến van giãn nở. Theo nghiên cứu của Viện Kỹ thuật HVAC năm ngoái, việc áp dụng tốt các biện pháp quá làm lạnh có thể tăng hiệu suất tổng thể của hệ thống khoảng từ 12 đến thậm chí 15 phần trăm, vì nó giúp duy trì dòng chảy ổn định của môi chất trong toàn bộ hệ thống. Các cuộn dây trong các hệ thống này tạo ra sự xáo trộn, giúp phân bố nhiệt đều trên các bề mặt. Sau khi được chuyển hoàn toàn sang dạng lỏng và được quá làm lạnh đúng cách, môi chất sẽ di chuyển về phía khu vực dàn bay hơi. Các mẫu mới hơn sử dụng công nghệ microchannel có khả năng đạt được mức quá làm lạnh nhanh hơn nhiều so với các thiết kế cũ, điều này có nghĩa là tủ lạnh hiện đại nói chung tiêu thụ ít điện năng hơn trong khi vẫn thực hiện cùng một nhiệm vụ.
Cách nhiệt di chuyển qua các cuộn dây ngưng tụ chủ yếu phụ thuộc vào hai quá trình: dẫn nhiệt và đối lưu. Khi tác nhân làm lạnh nóng lên bên trong cuộn dây, nó sẽ truyền nhiệt trực tiếp qua những thành kim loại đó. Đồng thời, không khí xung quanh thực hiện làm mát bằng đối lưu, về cơ bản là lấy đi lượng nhiệt dư thừa. Một số hệ thống dựa vào sự chuyển động tự nhiên của không khí, nhưng hầu hết các hệ thống hiện đại đều sử dụng quạt thổi không khí qua các cuộn dây, cách này hiệu quả hơn nhiều trong việc duy trì làm mát. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc mở rộng diện tích bề mặt của thiết bị ngưng tụ khoảng 30 phần trăm có thể tăng hiệu suất tỏa nhiệt từ 18 đến 25 phần trăm, mặc dù kết quả thay đổi tùy theo điều kiện cụ thể. Vì lý do này, nhiều nhà sản xuất thiết kế các cuộn dây của họ với các ống đồng dài, uốn lượn kết hợp cùng các cánh tản nhiệt bằng nhôm nhô ra khắp nơi. Những cánh tản nhiệt này làm tăng đáng kể diện tích tiếp xúc với không khí làm mát, cuối cùng giúp toàn bộ hệ thống hoạt động hiệu quả hơn trong việc giải phóng nhiệt.
Hình dạng và thiết kế của dàn ngưng thực sự quan trọng khi nói đến khả năng xử lý nhiệt. Đồng là chất liệu tuyệt vời cho mục đích này vì nó dẫn nhiệt rất hiệu quả ở mức khoảng 401 W/mK. Điều đó có nghĩa là nhiệt lượng di chuyển qua nó một cách nhanh chóng. Các cánh tản nhiệt bằng nhôm gắn vào các bộ phận bằng đồng này cũng góp phần giúp tăng diện tích bề mặt, từ đó làm mát tốt hơn thông qua đối lưu. Gần đây chúng ta đang thấy nhiều thiết kế microchannel hơn, và những thiết kế này có thể giảm nhu cầu sử dụng môi chất lạnh từ khoảng 25% đến 40% so với các mẫu ống và cánh truyền thống. Khi các nhà sản xuất sắp xếp lệch các kiểu cánh này, họ thực tế tạo ra nhiều nhiễu loạn hơn trong luồng không khí, nhờ đó nâng cao hiệu suất thải nhiệt thêm khoảng 12% đến 18% trong các hệ thống mà không khí được thổi cưỡng bức qua. Nghiên cứu từ Báo cáo Hiệu suất Vật liệu Dàn ngưng đã xác nhận điều này. Tất cả những cải tiến này có nghĩa là các thiết bị gia đình nhỏ hơn vẫn có thể hoạt động hiệu quả dù không gian lắp đặt bị hạn chế.
Một hệ thống ngưng tụ tủ lạnh cuộn dây điển hình gồm ba bộ phận chính hoạt động phối hợp để loại bỏ nhiệt một cách hiệu quả. Các cuộn dây thường có hình dạng uốn lượn như con rắn và được làm từ đồng hoặc nhôm vì những vật liệu này cho phép diện tích tiếp xúc tốt khi truyền nhiệt ra khỏi hệ thống. Ngoài ra còn có các ống dẫn vào và ra được kết nối để điều chỉnh tốc độ di chuyển của chất làm lạnh trong hệ thống. Điều này giúp duy trì chênh lệch áp suất phù hợp giữa nơi máy nén đưa chất làm lạnh vào và nơi nó được thu hồi lại tại dàn bay hơi. Một số nghiên cứu gần đây của ASHRAE năm 2023 cho thấy việc điều chỉnh đúng lưu lượng chất làm lạnh có thể giảm khoảng 12 phần trăm mức tiêu thụ năng lượng ở các mẫu tủ lạnh thông thường. Đây là khoản tiết kiệm đáng kể theo thời gian đối với cả hộ gia đình và doanh nghiệp.
Hầu hết các ngôi nhà vẫn đang sử dụng ống đồng cho nhu cầu HVAC của mình, chiếm khoảng ba phần tư thị trường nhờ khả năng dẫn nhiệt tốt. Tuy nhiên, nhôm đang bắt đầu được ứng dụng nhiều hơn trong các hệ thống thương mại lớn hơn, chiếm khoảng 22% phân khúc này vì trọng lượng nhẹ hơn rất nhiều, giúp việc lắp đặt dễ dàng hơn. Khi thiết lập các hệ thống này, thợ kỹ thuật thường kết nối các ống đầu vào với đầu ra máy nén có đường kính từ 1/4 inch đến 3/8 inch để đảm bảo dòng lưu thông trơn tru mà không tạo ra điểm nghẽn. Cách bố trí các đầu ra giúp làm nguội tác nhân lạnh một cách hiệu quả trước khi đến van giãn nở. Việc thiết lập chính xác điều này đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hoạt động ổn định và đảm bảo sự thay đổi pha diễn ra đúng lúc.
Quạt trục được vận hành bởi động cơ một chiều không chổi than có thể di chuyển từ 150 đến 300 feet khối không khí mỗi phút qua các dàn ống. Thực tế, hiệu suất này tốt hơn khoảng 40 phần trăm so với những thiết kế động cơ cực ẩn mà chúng tôi từng sử dụng vào năm 2018. Các cánh quạt được đặt ở các góc độ dao động trong khoảng từ 22 đến 35 độ, giúp truyền nhiệt hiệu quả hơn đồng thời vẫn giữ mức độ ồn dưới 45 decibel trong hầu hết các thiết bị gia dụng hiện nay. Các nghiên cứu về hệ thống làm lạnh thương mại cũng đã phát hiện ra điều thú vị: khi các nhà sản xuất chuyển sang dùng quạt tốc độ thay đổi thay vì loại cố định tốc độ, họ ghi nhận mức tiêu thụ năng lượng hàng năm giảm khoảng 18%. Những chiếc quạt thông minh này tự động điều chỉnh lượng không khí lưu thông dựa trên nhu cầu thực tế của hệ thống tại từng thời điểm.
Khoảng 92 phần trăm các hệ thống HVAC thương mại sử dụng phương pháp lưu thông không khí cưỡng bức vì chúng cần duy trì chênh lệch nhiệt độ (ΔT) trên 15 độ Fahrenheit. Trong khi đó, khoảng một phần ba ngôi nhà nhỏ hơn vẫn sử dụng phương pháp đối lưu tự nhiên vì chi phí lắp đặt đơn giản và rẻ hơn. Các mẫu lai mới kết hợp cả hai kỹ thuật này, chỉ bật thêm quạt khi nhiệt độ bên trong vượt quá ngưỡng nhất định. Theo số liệu mới nhất từ Energy Star năm 2023, cách tiếp cận thông minh này làm giảm khoảng 23% tần suất hoạt động bật/tắt của máy nén. Việc giảm số lần khởi động như vậy giúp các bộ phận kéo dài tuổi thọ và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống theo thời gian.
Khi bụi bẩn tích tụ trên các cuộn dây ngưng tụ, hiệu suất truyền nhiệt sẽ giảm khoảng 30%. Điều đó có nghĩa là máy nén phải hoạt động vất vả hơn, chạy lâu thêm từ 12 đến 18 phần trăm chỉ để duy trì nhiệt độ phù hợp. Kết quả là, các thiết bị dùng trong gia đình tiêu thụ nhiều năng lượng hơn từ 15 đến 25 phần trăm so với mức cần thiết. Đối với doanh nghiệp nơi thiết bị vận hành liên tục suốt cả ngày, những con số này còn tệ hơn nữa. Những cánh tản nhiệt bị tắc nghẽn về cơ bản trở thành các bẫy nhiệt nhỏ, làm nhiệt độ tăng vượt mức an toàn cho hệ thống. Hầu hết các hướng dẫn bảo trì cho hệ thống làm lạnh thương mại đều nhấn mạnh rằng việc vệ sinh định kỳ chính là yếu tố then chốt. Sau khi được làm sạch kỹ lưỡng, đa số hệ thống nhanh chóng trở lại hoạt động bình thường, thường là trong vòng khoảng hai ngày. Việc này đáng để thực hiện vì giữ các cuộn dây luôn sạch sẽ sẽ tiết kiệm chi phí trong dài hạn và ngăn ngừa hỏng hóc thiết bị trước thời hạn.
Mức độ môi chất lạnh không đúng gây ra các sự cố vận hành riêng biệt:
Dữ liệu thực tế cho thấy 42% sự cố hỏng máy nén bắt nguồn từ tình trạng mất cân bằng môi chất kéo dài. Việc nạp quá mức thường dẫn đến hiện tượng lỏng tràn (liquid slugging), làm hư hại các tấm van trong 93% trường hợp. Thiếu môi chất làm tăng tốc độ suy giảm dầu lên gấp ba lần so với hệ thống được nạp đúng, giảm hiệu quả bôi trơn và rút ngắn tuổi thọ máy nén.
Công nghệ ngưng tụ vi kênh mới nhất vượt trội hơn các hệ thống ống và cánh truyền thống về hiệu quả thải nhiệt, thường mang lại hiệu suất tốt hơn khoảng 22%. Điều gì làm cho các mẫu mới này trở nên hiệu quả đến vậy? Chúng được trang bị các đường dẫn môi chất lạnh nhỏ hơn khoảng 40% so với trước đây. Ngoài ra, chúng được chế tạo bằng nhôm – vật liệu dẫn nhiệt nhanh gấp ba lần so với các lựa chọn làm bằng thép. Và cũng đừng quên những hướng dẫn luồng khí thông minh giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ của quạt, giảm khoảng 18%. Tất cả những nâng cấp này đồng nghĩa với hiệu suất hệ thống tổng thể tốt hơn. Chi phí bảo trì cũng giảm theo, từ khoảng sáu mươi đến một trăm bốn mươi đô la mỗi năm cho mỗi thiết bị được lắp đặt. Đối với các quản lý nhà máy đang cố gắng tuân thủ các quy định nghiêm ngặt mới của Bộ Năng lượng năm 2024, mức hiệu quả như thế này chính là yếu tố then chốt để duy trì tính cạnh tranh mà không tốn kém quá nhiều chi phí.
Tin Tức Nổi Bật
EN
