CHUYÊN SÂU VỀ CÔNG NGHỆ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO MÁY NÉN KHÍ

I. Tiết kiệm năng lượng trong hệ thống khí nén có ý nghĩa như thế nào?

1. Bối cảnh giảm phát thải carbon và mục tiêu “Carbon Zero”

Hiện nay, môi trường toàn cầu đang bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi biến đổi khí hậu và các hiện tượng thiên tai. Lượng khí thải carbon gia tăng gây ra nhiều vấn đề như hiệu ứng nhà kính và hiện tượng đảo nhiệt đô thị. Đồng thời việc tiêu thụ năng lượng không đồng đều và năng lượng bị thiếu hụt khiến cho việc chuyển đổi cơ cấu năng lượng, đặc biệt là từ than đá, trở nên cấp bách hơn bao giờ hết. Để giải quyết vấn đề này, Trung Quốc đã đề ra các mục tiêu “Đạt đỉnh carbon” và “Carbon trung hòa” trong kế hoạch phát triển năng lượng giai đoạn 14-5. Ngành công nghiệp chiếm đến 65% tổng mức tiêu thụ năng lượng quốc gia, vì vậy đây được xem là lĩnh vực trọng tâm trong việc tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải carbon. Trong đó, khí nén là một nguồn năng lượng quan trọng và nó chỉ đứng sau điện, có nhiều ứng dụng vào đời sống và đóng vai trò không thể thiếu trong sản xuất công nghiệp.

2. Tiết kiệm năng lượng trong hệ thống khí nén

Hệ thống khí nén gồm các thành phần quan trọng như máy nén khí, bình chứa khí, bộ tinh lọc và máy sấy,… Việc tiết kiệm năng lượng trong hệ thống khí nén có thể được thực hiện ở các phần như máy nén khí, hệ thống điều khiển, quy trình sấy và cả các bộ lọc. Bài viết này sẽ tập trung vào ba công nghệ tiết kiệm năng lượng chính bao gồm: (1) Xử lý khí nạp cho máy nén khí, (2) Làm mát và thu hồi nhiệt của máy nén khí, (3) Xử lý khí sau khi nén.

II. Xử lý sơ bộ khí hút của máy nén khí

1. Tư duy cốt lõi trong xử lý sơ bộ khí hút của máy nén khí

Xử lý sơ bộ khí hút của máy nén khí chủ yếu nhằm ứng phó với môi trường có nhiệt độ và độ ẩm cao vào mùa hè. Khi nhiệt độ không khí môi trường tăng cao, sẽ kéo theo một loạt hệ quả như: tăng tiêu thụ năng lượng, giảm hiệu suất hoạt động và làm tăng nhiệt độ khí xả. Nhiệt độ khí hút quá cao còn khiến máy nén khí dễ phát sinh sự cố. Do đó, xử lý sơ bộ khí hút không chỉ giúp nâng cao độ ổn định vận hành mà còn góp phần đáng kể vào mục tiêu tiết kiệm năng lượng.

Bên cạnh đó, hiện nay đang tồn tại mâu thuẫn rõ rệt giữa việc tiêu thụ điện năng cao và nguồn điện hạn chế, chi phí điện ngày càng đắt đỏ. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nhiệt độ khí hút của máy nén khí có ảnh hưởng rõ rệt đến mức tiêu thụ năng lượng: cứ giảm 1°C thì mức tiêu thụ điện năng có thể giảm khoảng 0,65%. Do đó, việc nghiên cứu giải pháp xử lý sơ bộ khí hút, đặc biệt tại các khu vực có khí hậu nắng nóng vào mùa hè, là một hướng đi có ý nghĩa quan trọng trong việc tiết kiệm năng lượng.

Xử lý sơ bộ khí hút chủ yếu là giảm nhiệt và giảm ẩm. Vậy có thật sự cần thiết phải giảm độ ẩm không? Nhiệt độ nên giảm đến mức nào là phù hợp? Hãy cùng phân tích từ góc độ lý thuyết. Giả sử áp suất không khí môi trường là 100kPa, nhiệt độ là 38°C, độ ẩm là 21,75g/kg, hiệu suất đẳng entropy là 0,72, và hệ số hiệu suất (COP) của thiết bị làm lạnh là 3,4.

Khi nhiệt độ khí hút giảm từ 38℃ xuống còn 18℃, độ ẩm giảm từ 21,75g/kg xuống còn 17,75g/kg thì suất tiêu hao điện riêng (tức là công suất tiêu thụ trên mỗi đơn vị lưu lượng) giảm từ 6,98kW/(m³·phút) xuống còn 6,27kW/(m³·phút).

Xét về ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm của khí hút đến mức tiêu thụ năng lượng của máy nén khí, có thể thấy nhiệt độ có tác động lớn hơn nhiều so với độ ẩm. Do đó, mục tiêu chính của việc xử lý sơ bộ khí hút là giảm nhiệt độ, còn việc giảm độ ẩm thì không thực sự cần thiết, bởi chi phí để làm việc này là quá cao.

Nguyên nhân là do khi nhiệt độ bề mặt của bộ trao đổi nhiệt thấp hơn nhiệt độ cấp điện, nếu xảy ra hiện tượng ngưng tụ hơi nước thì sẽ phát sinh một lượng nhiệt ẩn rất lớn, dẫn đến tải làm lạnh sẽ tăng mạnh. Nói cách khác, để đạt được cùng một hiệu quả làm lạnh thì công suất làm lạnh cần thiết sẽ tăng lên rất nhiều nếu có quá trình ngưng tụ xảy ra.

Vì vậy, tư duy cốt lõi trong xử lý sơ bộ khí hút là: ưu tiên giảm nhiệt, không kiểm soát độ ẩm. Việc giảm độ ẩm chỉ mang lại hiệu quả tiết kiệm năng lượng rất hạn chế. Điều này cũng cho thấy rõ sự khác biệt so với các sản phẩm điều hòa thông thường – nếu chỉ dùng điều hòa để xử lý khí hút cho máy nén khí thì không phù hợp hoàn toàn.

Điều hòa không khí có thể điều chỉnh nhiệt độ xuống mức thấp hơn một chút, nghĩa là cần có nguồn lạnh ở nhiệt độ cao hơn. Ví dụ, nghiên cứu cho thấy việc sử dụng điều hòa để làm mát từ 35℃ xuống khoảng 28–29℃ là hoàn toàn khả thi, nhưng không nên để nhiệt độ xuống dưới 26℃. Giải pháp này vừa đơn giản vừa mang lại lợi ích tiết kiệm năng lượng trong điều kiện thực tế sử dụng.

2. Nhược điểm của các phương pháp làm mát truyền thống

Hiện nay, các phương pháp làm mát truyền thống có một số hạn chế:

• Tiêu tốn nhiều năng lượng với chi phí cao, độ chính xác khi điều khiển thấp.
• Tiêu thụ năng lượng của thiết bị xử lý khí nạp có sự chênh lệch lớn giữa các khu vực.
• Còn hạn chế về lý thuyết hỗ trợ cho việc thiết kế hoặc lựa chọn thiết bị xử lý khí nạp.
• Các phương pháp đánh giá hoặc tiêu chí đánh giá chưa hoàn thiện, chưa có sản phẩm tiêu chuẩn hóa.

3.  So sánh các giải pháp xử lý sơ bộ khí hút theo nguồn lạnh khác nhau

3.1. Phân tích khả năng tiết kiệm năng lượng

Phương án xử lý sơ bộ khí hút bằng hệ thống làm lạnh nén hơi có thể sử dụng trực tiếp các dàn máy điều hòa thương mại trên thị trường làm thiết bị xử lý sơ bộ khí hút. Tuy nhiên, do công suất làm lạnh của các máy điều hòa này có giới hạn nên chúng chỉ phù hợp với các trường hợp có nhu cầu tải lạnh thấp.

So với các máy điều hòa thông thường, hệ thống chiller (máy làm lạnh nước) có thể cung cấp công suất lạnh lớn hơn và hiệu suất làm lạnh cao hơn, đồng thời hiệu quả vận hành cũng ổn định và đáng tin cậy hơn. Tuy nhiên, hệ thống này yêu cầu lắp đặt thêm đường ống tuần hoàn nước làm mát, điều này làm tăng độ phức tạp trong quản lý và bảo trì của hệ thống.

Phương án này có thể điều chỉnh nhiệt độ khí hút bằng cách kiểm soát lưu lượng và nhiệt độ của dòng nước đi vào bộ trao đổi nhiệt khí–nước. Nước tuần hoàn được làm mát sơ bộ bằng tháp giải nhiệt kín, giúp giảm tiêu hao năng lượng bổ sung của thiết bị xử lý khí hút. Tuy nhiên, hiệu quả làm mát của tháp giải nhiệt bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ và độ ẩm không khí. Việc bổ sung thêm tháp giải nhiệt kín và hệ thống ống nước tuần hoàn sẽ làm tăng chi phí đầu tư thiết bị cũng như mức độ phức tạp của hệ thống.

Để so sánh, người ta chọn hai khu vực có điều kiện khí hậu khác biệt là Nam Kinh và Urumqi. Sau khi áp dụng phương án xử lý sơ bộ khí hút, suất tiêu hao điện riêng của khí nén được giảm rõ rệt. Ở Nam Kinh, mức giảm tối đa đạt 2,32%, còn tại Urumqi là 2,58%. Qua đó có thể thấy, sự khác biệt giữa các phương án không quá lớn, tuy nhiên ở khu vực khí hậu khô, phương án làm mát bằng bay hơi thể hiện ưu thế rõ rệt hơn.

3.2. Phân tích tính kinh tế

Trong điều kiện khí hậu của Nam Kinh và Urumqi, phương án 3 có thời gian hoàn vốn đầu tư ngắn nhất, lần lượt là 23,1 tháng và 15,3 tháng. Việc sử dụng tháp giải nhiệt để làm mát sơ bộ giúp nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống một cách rõ rệt.

Từ đó có thể thấy, nếu hệ thống máy nén khí hoạt động liên tục 365 ngày trong năm, thì thời gian hoàn vốn sẽ rất ngắn. Tuy nhiên, nếu chỉ sử dụng vào mùa hè, thì việc đầu tư riêng một hệ thống làm lạnh sẽ không kinh tế, do tỷ lệ sử dụng thấp, dẫn đến thời gian hoàn vốn kéo dài.

Phương án 3 – hệ thống xử lý sơ bộ khí hút dạng kết hợp, không phù hợp với các trường hợp lưu lượng khí nhỏ, đặc biệt là dưới 60–80 m³/phút. Trong trường hợp này, phương án 1 – làm lạnh nén hơi sẽ khả thi hơn.

Ngược lại, phương án xử lý kết hợp lại đặc biệt phù hợp cho các trạm máy nén khí công suất lớn, nơi cần lượng khí lớn và yêu cầu hiệu suất cao. Nhìn chung, với phương án này, thời gian hoàn vốn đầu tư thường không dưới 10 tháng.

4. Sử dụng máy sấy khí kiểu làm lạnh (cold dryer) cho xử lý sơ bộ khí hút của máy nén khí

Từ những phân tích trên, một ý tưởng mới đã được đưa ra: không cần lắp đặt riêng một nguồn lạnh chuyên biệt. Trong nhiều nhà xưởng, hệ thống điều hòa đã có sẵn, vì vậy có thể dẫn nguồn lạnh từ hệ thống điều hòa để sử dụng cho việc làm mát khí hút. Tuy nhiên, phương án này cũng có giới hạn về phạm vi ứng dụng và không phải lúc nào cũng khả thi.

Từ đó lại nảy sinh ra một ý tưởng mới khác: bổ sung thêm một bộ bay hơi (evaporator) vào máy sấy khí lạnh, tức là tương đương với việc trang bị cho máy nén khí một chiếc “máy điều hòa nhỏ”. Không khí trước khi đi vào máy nén sẽ được làm lạnh sơ bộ qua dàn bay hơi, giúp giảm nhiệt độ của khí hút một cách hiệu quả.

Bộ bay hơi thứ nhất sử dụng cấu trúc dạng ống cánh tản nhiệt (finned tube). Khi nhiệt độ bề mặt của dàn bay hơi thấp hơn nhiệt độ điểm sương của không khí, hơi nước sẽ ngưng tụ và tạo thành một lớp màng nước trên bề mặt dàn bay hơi, điều này làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt.

Dựa vào hệ số ngưng ẩm, ta có thể tính được lượng hơi nước ngưng tụ sau khi không khí nạp đi qua bước xử lý sơ bộ. Từ đó, có thể xác định nhiệt độ khí hút tối ưu.

4.1. Phương pháp đánh giá

Thiết lập điều kiện đánh giá như sau: khi nhiệt độ môi trường vượt quá 30℃, hệ thống xử lý sơ bộ khí hút sẽ được kích hoạt; lưu lượng khí hút của máy nén khí dao động từ 45–55 m³/phút, áp suất khí xả là 0,8 MPa; không khí được làm mát xuống 26℃ trước khi đi vào máy nén. Nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh thay đổi theo nhiệt độ khí hút, và chênh lệch nhiệt độ giữa không khí và môi chất lạnh được lấy là 10℃.

Khi nhiệt độ môi trường vượt quá 30℃ và hệ thống kiểm soát nhiệt độ khí hút ở mức 26℃, thì mỗi năm hệ thống có thể tiết kiệm được 5747,85 kWh điện, tương ứng với 4598,28 nhân dân tệ tiền điện. Như vậy, thời gian hoàn vốn sẽ rất nhanh.

Bước tiếp theo là áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản phẩm, tiến hành thiết kế cấu trúc và triển khai cụ thể.

III. Làm mát/thu hồi nhiệt máy nén khí

1. Phun chất lỏng trong quá trình nén

Một trong những giải pháp quan trọng để tiết kiệm năng lượng cho bộ phận chính của máy nén khí chính là phương pháp phun chất lỏng trong quá trình nén khí. Việc phun chất lỏng này có ba mục đích chính: làm mát, làm kín và giảm tiếng ồn. Trong đó, làm kín giúp nâng cao hiệu suất năng lượng, còn làm mát giúp cải thiện hiệu quả kiểm soát nhiệt độ. Đối với máy nén có dầu, việc phun dầu diễn ra trong suốt quá trình làm việc. Còn đối với máy nén không dầu, có thể xem xét sử dụng phương pháp phun nước.

Hiện nay, các phương pháp phun chất lỏng của các hãng sản xuất trên thị trường rất đa dạng. Bài viết này liệt kê ba phương pháp phổ biến:

• Phương pháp thứ nhất: phun chất lỏng từ khoang hút.

• Phương pháp thứ hai: khoan nhiều lỗ phun trên khoang hai trục vít.

• Phương pháp thứ ba: phun chất lỏng tại điểm giao tuyến giữa hai trục vít.

Hiện tại, mặc dù có nhiều kiểu phun khác nhau, nhưng ảnh hưởng cụ thể của vị trí phun đến hiệu quả làm việc cuối cùng vẫn chưa có nhiều nghiên cứu thử nghiệm chi tiết để so sánh và đánh giá.

Xét từ góc độ lý thuyết, khi tốc độ quay của trục vít càng cao, thời gian tiếp xúc giữa chất lỏng và khí nén càng ngắn, do đó cần nâng cao hiệu quả tạo sương (phun dạng sương mịn) của chất lỏng. Tuy nhiên, điều này lại làm giảm hiệu quả làm kín. Vì vậy, đối với các thiết kế phun nhiều lỗ, cần thực hiện phân vùng chức năng, ví dụ:

• Các lỗ lớn chủ yếu đảm nhận chức năng làm kín.

• Các lỗ nhỏ chủ yếu dùng để tạo sương mịn, hỗ trợ làm mát.

Việc phân vùng và điều khiển chức năng riêng biệt như vậy sẽ mang lại hiệu quả tổng thể cao hơn.

2. Thu hồi nhiệt từ máy nén khí

Việc thu hồi nhiệt từ máy nén khí chủ yếu liên quan đến hai nguồn nhiệt chính: nhiệt từ dầu và nhiệt từ khí nén. Chúng tôi đã từng thực hiện thử nghiệm trong hệ thống kín, với mục tiêu thu hồi nhiệt trực tiếp bằng phương pháp bay hơi, tương tự như cách đun nóng nước để tạo hơi. Tuy nhiên, thiết kế cốt lõi của chúng tôi là sử dụng bộ trao đổi nhiệt để thu hồi nhiệt qua bay hơi trực tiếp.

Ngoài ra, tác giả cũng đã thiết kế một hệ thống bán kín sử dụng nước làm môi chất truyền nhiệt, có đặc điểm truyền nhiệt tiếp xúc, cho phép thực hiện thu hồi nhiệt mà không phát thải ra môi trường. Trong hệ thống này, khí nén sau giai đoạn nén cấp một cùng với một phần nhiệt lượng sẽ tiếp tục đi vào máy nén cấp hai để được nén thêm và cung cấp năng lượng. Đồng thời, hệ thống này có thể điều chỉnh quá trình tạo hơi nước và sản xuất nước nóng trực tiếp.

Xét từ góc độ sản xuất công nghiệp xanh, một trong những thách thức chính mà ngành công nghiệp của chúng ta đang phải đối mặt là vấn đề phát thải dầu thải và xử lý nước bẩn. Để giải quyết các vấn đề này, một phần nhiệt lượng có thể được tận dụng trong quy trình làm ẩm và khử ẩm không khí, gọi là HDH (Humidification-Dehumidification Heating). So với các bộ tản nhiệt truyền thống, HDH có yêu cầu chống ăn mòn thấp hơn, vì phương pháp này chủ yếu sử dụng không khí nóng để bay hơi nước trong nước thải.

Trong quá trình này, nước trong nước thải sẽ bay hơi vào không khí, làm tăng độ ẩm của không khí. Sau đó, bằng cách làm lạnh không khí ẩm, hơi nước có thể được ngưng tụ lại ở nhiệt độ thấp, từ đó đạt được mục tiêu xử lý nước thải. Phương pháp này không chỉ giúp giảm thiểu lượng dầu thải ra môi trường, mà còn cải thiện chất lượng không khí, là một giải pháp xanh và hiệu quả cao.

IV. Xử lý khí nén sau khi nén

Xử lý sau khí nén thực chất bao gồm hai phương diện: một là lọc, hai là sấy khô. Bộ lọc dùng để tách dầu, còn thiết bị sấy dùng để loại bỏ hơi nước. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều nhà sản xuất máy sấy, bao gồm loại hấp phụ, loại làm lạnh và loại kết hợp. Cốt lõi của các thiết bị này là: trên cơ sở đáp ứng yêu cầu về điểm sương áp suất, cần tiết kiệm năng lượng, giảm tiêu hao điện năng và tổn thất áp suất; đồng thời, giảm chi phí đầu tư thiết bị và chi phí bảo trì.

Hiện nay, máy nén khí đã chuyển sang biến tần, nhiều loại máy sấy cũng sử dụng công nghệ biến tần, do đó toàn bộ hệ thống khí nén đều có thể vận hành theo biến tần. Trong ứng dụng thực tế, mặc dù sản phẩm của chúng tôi có khả năng tiết kiệm năng lượng, nhưng nếu người dùng không sử dụng một cách hợp lý thì vẫn có thể gây ra tình trạng không tiết kiệm. Vì vậy, điều khiển tổng thể một cách khoa học là rất quan trọng. Ngoài ra, giảm tổn thất áp suất tại bộ gia nhiệt trong máy sấy lạnh cũng là một vấn đề then chốt.

Đối với máy sấy hấp phụ, việc lựa chọn chất hấp phụ là yếu tố then chốt. Trong hệ thống điều hòa không khí, cũng thường sử dụng bánh xe hấp phụ để sấy khô. Tuy nhiên, chất hấp phụ thường tồn tại ở dạng sương, hiệu suất và chất lượng của chúng có thể khác nhau tùy theo từng lô sản xuất và quy trình công nghệ. Để đánh giá chính xác hiệu suất của chất hấp phụ, cần áp dụng các phương pháp và kỹ thuật khoa học.

Cùng với sự tiến bộ của công nghệ, chúng ta còn cần lựa chọn và cấu hình các công nghệ mới một cách hợp lý, dựa trên yêu cầu cụ thể về độ phân giải áp suất. Trong lĩnh vực nghiên cứu phương pháp tái sinh cho thiết bị sấy hấp phụ và thiết kế kết cấu thiết bị sấy, vẫn còn nhiều việc cần thực hiện để nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng hơn nữa.

Ngoài ra, thiết bị sấy kết hợp cũng là một công nghệ đáng chú ý. Thiết bị này kết hợp ưu điểm của cả phương pháp làm lạnh và phương pháp hấp phụ. Vấn đề cốt lõi là lý thuyết cơ bản và ứng dụng thực tiễn của việc thu hồi nhiệt. Tác giả gần đây đã tham gia vào một dự án thiết bị sấy kết hợp tại một doanh nghiệp ở tỉnh Chiết Giang, dùng để làm khô và chống ăn mòn cho hệ thống khí nén trong công trình cầu.

Trong ngành công nghiệp máy nén khí hiện nay, chủ yếu sử dụng các biện pháp hệ thống tĩnh. So với đó, bánh xe quay – một biện pháp hệ thống động – mặc dù có những ưu điểm riêng, nhưng cũng đối mặt với những thách thức về khả năng làm kín. Vì vậy, chúng tôi đang thử nghiệm áp dụng công nghệ bánh xe quay vào lĩnh vực quạt thổi áp suất thấp, tìm cách kết hợp hiệu quả giữa công nghệ làm lạnh, làm nóng và bánh xe quay nhằm phục vụ mục tiêu tiết kiệm năng lượng.

Hiện tại, nhóm của chúng tôi đang tiến hành thiết kế kết cấu, chuẩn bị sản xuất và lên kế hoạch thử nghiệm.

Đồng thời, tác giả cũng đang suy nghĩ về việc tích hợp những công nghệ và kinh nghiệm đã tiếp xúc từ các ngành công nghiệp khác vào ngành máy nén khí. Do bánh xe quay có thiết kế dạng mô-đun, cho phép thay thế riêng phần bánh xe, điều này giúp nâng cao đáng kể tính tiện dụng trong quá trình sử dụng. Tin rằng, thông qua sự khám phá và đổi mới không ngừng, chúng ta có thể mang lại nhiều tiến bộ kỹ thuật và giải pháp mới cho ngành máy nén khí.

—

NGHỊ TÍN GROUP

📍 Trụ sở chính: 8 Bis Quốc lộ 13, KP. Bình Hòa, Lái Thiêu, Thuận An, Bình Dương

📞 Hotline: 028 888 333 88

🏢 Chi nhánh miền Bắc: BT2-G1 Khu nhà ở Dự án Hoán Sơn, Tiên Du, Bắc Ninh

📞 Hotline: 0222 371 4188

🌐 Website: nghitin.vn

✉️ Email: sale@nghitin.vn