Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, ứng dụng máy lạnh hấp thụ sử dụng

Với cơ sở trên, tác giả của luận văn đã lựa chọn hướng nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ứng dụng máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời và nhiệt thải trên các phương tiện đánh

i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix

DANH MỤC MỘT SỐ CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ TỪ KẾT QUẢ ĐỀ TÀI NÀY xi

MỞ ĐẦU xii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan máy lạnh hấp thụ 1

1.1.1 Khái niệm, nguyên lý làm việc và phân loại máy lạnh hấp thụ 1

1.1.2 Đặc trưng cơ bản của máy lạnh hấp thụ 14

1.2 Tổng quan nghiên cứu về máy lạnh hấp thụ 25

1.2.1 Kết quả nghiên cứu trên thế giới 25

1.2.2 Kết quả nghiên cứu ở Việt Nam 30

1.3 Đối tượng, mục đích và phạm vi nghiên cứu 31

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 31

1.3.2 Mục đích và phạm vi nghiên cứu 34

Chương 2 CƠ SỞ TÍNH MÁY LẠNH HẤP THỤ MỘT CẤP NH3/H2O 35

2.1 Nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ một cấp NH3/H2O 35

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý 35

2.1.2 Nguyên lý làm việc 37

2.2 Cơ sở tính các thông số trạng thái của dung dịch NH3/H2O 37

2.2.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch 37

2.2.2 Áp suất dung dịch 38

2.2.3 Enthalpy của dung dịch lỏng và hơi 38

2.2.4 Nồng độ của hơi bay ra từ dung dịch NH3/H2O 39

2.2.5 Nhiệt dung riêng của dung dịch 39

2.2.6 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch 39

ii

2.3.1 Xác định thông số trạng thái của môi chất tại các điểm nút trên chu

trình 40

2.3.2 Xác định các dòng nhiệt của hệ thống và chu trình 44

2.3.3 Cơ sở tính toán các thiết bị trong chu trình 45

Chương 3 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH 49

3.1 Yêu cầu của mô hình thực nghiệm 49

3.2 Đánh giá mô hình thực tế 49

3.2.1 Đánh giá chung về máy lạnh hấp thụ 49

3.2.2 Đánh giá kết quả nghiên cứu riêng về máy lạnh hấp thụ NH3/H2O sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp với nhiệt thải 50

3.3 Hướng thiết kế, chế tạo và xây dựng mô hình 50

3.4 Tính toán, thiết kế, chế tạo mô hình 53

3.4.1 Tính chu trình máy lạnh hấp thụ 1 cấp NH3/H2O 53

3.4.2 Tính thiết kế, chế tạo mô hình máy lạnh hấp thụ NH3/H2O 57

Chương 4 VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH 72

4.1 Xác định các chế độ vận hành 72

4.2 Quy trình vận hành 72

4.3 Kết quả vận hành thực nghiệm 73

4.3.1 Kết quả vận hành ở chế độ 01 74

4.3.2 Kết quả vận hành ở chế độ 02 76

4.3.3 Kết quả vận hành ở chế độ 03 78

4.3.4 Kết quả vận hành ở chế độ 04 79

4.3.5 Kết quả vận hành ở chế độ 05 82

4.3.6 Kết quả vận hành ở chế độ 06 83

4.4 Đánh giá mô hình chế tạo 85

Chương 5 TÓM TẮT VÀ KẾT LUẬN 88

5.1 Tóm tắt 88

iii TÀI LIỆU THAM KHẢO 92PHỤ LỤC 97

iv

Bản luận văn này được thực hiện trong thời gian từ tháng 10/2012 đến tháng 10/2015, dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của TS Đặng Trần Thọ, giảng viên trường ĐHBK Hà Nội

Em xin chân thành cảm ơn TS Đặng Trần Thọ đã giúp đỡ em hoàn thành bản luận văn Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy giáo, cô giáo trong trường đã quan tâm giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại trường

Hoàng Mai Hồng

v

Nội dung luận văn 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 văn Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Tác giả luận văn

Hoàng Mai Hồng

r : Nhiệt ẩn hóa hơi, kJ/kg

C : Nhiệt dung riêng, kJ/(kgK)

Ρ : Khối lượng riêng, kg/m3

k : Hệ số truyền nhiệt, W/(m2K)

α : Hệ số tỏa nhiệt, W/(m2K)

δ : Chiều dày, m

d : Đường kính của ống, m

l : Chiều dài ống, m

ω : Tốc độ, m/s

g : Gia tốc trọng trường, m/s2

r : Thông số của dung dịch đậm đặc

a : Thông số của dung dịch loãng

0 : Thông số của môi chất lạnh ở nhiệt

w : Thông số của môi trường làm mát

H : Thông số của nước gia nhiệt

m : Thông số của chất lỏng tải lạnh

1 : Thông số đầu vào

2 : Thông số đầu ra

t : Bên trong

n : Bên ngoài gn: Gia nhiệt sh: Sinh hơi ht: Hấp thụ bl: Buồng lạnh

vii

Bảng 1.2 Một số loại nhiệt thải và mức nhiệt độ tương ứng 21

Bảng 1.3 Một số kim loại sử dụng trong kỹ thuật lạnh 24

Bảng 1.4 Số liệu về các tàu cá lắp máy có công suất lớn hơn 50HP 32

Bảng 3.1 Các thông số trạng thái của chu trình máy lạnh hấp thụ NH3/H2O 54

Bảng 3.2 Bảng thống kê giá trị các phụ tải máy lạnh hấp thụ NH3/H2O 56

Bảng 3.3 Bảng số liệu ban đầu của thiết bị ngưng tụ 57

Bảng 3.4 Bảng kết quả tính toán thiết bị ngưng tụ 58

Bảng 3.5 Bảng số liệu ban đầu của thiết bị bay hơi 59

Bảng 3.6 Bảng kết quả tính toán thiết bị bay hơi 59

Bảng 3.7 Bảng số liệu ban đầu của bình hấp thụ 60

Bảng 3.8 Bảng kết quả tính toán bình hấp thụ 61

Bảng 3.9 Bảng số liệu ban đầu của bình sinh hơi 62

Bảng 3.10 Bảng số liệu ban đầu của thiết bị ngưng tụ hồi lưu 63

Bảng 3.11 Bảng kết quả tính toán bình sinh hơi 63

Bảng 3.12 Bảng kết quả tính toán thiết bị ngưng tụ hồi lưu 64

Bảng 3.13 Bảng số liệu ban đầu của thiết bị hồi nhiệt môi chất lạnh 65

Bảng 3.14 Bảng kết quả tính toán thiết bị hồi nhiệt môi chất 65

Bảng 3.15 Bảng số liệu ban đầu của thiết bị hồi nhiệt dung dịch 66

Bảng 3.16 Bảng kết quả tính toán thiết bị hồi nhiệt dung dịch 67

Bảng 3.17 Bảng số liệu ban đầu của bộ thu nhiệt khói thải 69

Bảng 3.18 Bảng kết quả tính toán bộ thu nhiệt khói thải 69

Bảng 4.1 Bảng các chế độ vận hành thực nghiệm 72

Bảng 4.1 Kết quả vận hành mô hình khi gia nhiệt bằng khói thải ở điều kiện tĩnh 74 Bảng 4.2 Kết quả vận hành mô hình khi gia nhiệt bằng khói thải ở điều có rung lắc 76

viii

Bảng 4.4 Kết quả vận hành mô hình khi gia nhiệt bằng năng lượng mặt trời ở điều kiện rung lắc 80 Bảng 4.5 Kết quả vận hành mô hình khi gia nhiệt đồng phát ở điều kiện tĩnh 82 Bảng 4.6 Kết quả vận hành mô hình khi gia nhiệt đồng phát ở điều kiện rung lắc 84

ix

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ 2

Hình 1.2 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr tác dụng đơn bố trí trong 2 vỏ 5

Hình 1.3 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr tác dụng đơn bố trí trong 1 vỏ 6

Hình 1.4 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr tác dụng kép loại 1 8

Hình 1.5 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr tác dụng kép loại 2 8

Hình 1.6 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr tác dụng kép loại 3 9

Hình 1.7 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ NH3/H2O một cấp 10

Hình 1.8 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ NH3/H2O hai cấp 12

Hình 1.9 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ khuếch tán 13

Hình 1.10 Máy lạnh hấp thụ năng lượng mặt trời loại gián đoạn NH3/H2O 18

Hình 1.11 Sơ đồ máy lạnh hấp phụ năng lượng mặt trời loại gián đoạn 19

Hình 1.12 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ sử dụng các nguồn nhiệt kết hợp 20

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ NH3/H2O 35

Hình 2.2 Đồ thị i-ξ của các quá trình trong chu trình máy lạnh hấp thụ NH3/H2O 36 Hình 4.1 Cơ cấu rung lắc của mô hình 73

Hình 4.2 Biến thiên nhiệt độ theo thời gian với nguồn nhiệt bằng khói thải trong điều kiện tĩnh 75

Hình 4.3 Biến thiên nhiệt độ theo thời gian với nguồn nhiệt bằng khói thải trong điều kiện rung lắc 77

Hình 4.4 So sánh biến thiên nhiệt độ theo thời gian với nguồn nhiệt bằng khói thải trong điều kiện tĩnh và rung lắc 77

Hình 4.5 Biến thiên nhiệt độ theo thời gian với nguồn nhiệt bằng năng lượng mặt trời trong điều kiện tĩnh 79

Hình 4.6 Biến thiên nhiệt độ theo thời gian với nguồn nhiệt bằng năng lượng mặt trời trong điều kiện rung lắc 80

x

Hình 4.8 Biến thiên nhiệt độ theo thời gian với nguồn nhiệt bằng nguồn nhiệt đồng phát trong điều kiện tĩnh 83Hình 4.9 Biến thiên nhiệt độ theo thời gian với nguồn nhiệt bằng nguồn nhiệt đồng phát trong điều kiện rung lắc 84Hình 4.10 So sánh biến thiên nhiệt độ theo thời gian với nguồn nhiệt bằng nguồn nhiệt đồng phát trong điều kiện tĩnh và rung lắc 85

xi

1 Đặng Trần Thọ, Hoàng Mai Hồng, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình thực

nghiệm máy lạnh hấp thụ NH3/H20 sử dụng năng lượng mặt trời và nhiệt thải trong

điều kiện có rung lắc”, Tạp chí Năng lượng Nhiệt, Số 125-09/2015, ISSN

0868-3336

xii

Sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng cũng như giảm thiểu ô nhiễm môi trường đã và đang được các nhà hoạch định chính sách, các nhà khoa học quan tâm, tìm kiếm các giải pháp Ngành lạnh là một trong các ngành có các thiết bị tiêu thụ năng lượng lớn, chủ yếu là năng lượng điện, tuy nhiên ngành lạnh cũng thâm nhập vào hầu hết các ngành kinh tế quan trọng, hỗ trợ tích cực cho các ngành đó phát triển, đặc biệt là các ngành chế biến thực phẩm, công nghiệp nhẹ và đánh bắt thủy hải sản Vậy làm thế nào vừa đáp ứng được nhu cầu về lạnh vừa sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả vẫn đang được nhiều nhà khoa học, nhiều cơ quan nghiên cứu và tổ chức chính phủ đầu tư nghiên cứu

Một trong những hướng nghiên cứu ưu tiên hiện này là công nghệ làm lạnh bằng máy lạnh hấp thụ (MLHT) ở cả thế giới và Việt Nam Với công nghệ làm lạnh này cần nguồn nhiệt có nhiệt độ từ 80 ºC đến 150 ºC nên có thể dùng được nhiều nguồn nhiệt khác nhau như năng lượng mặt trời, nhiệt thừa, nhiệt thải, … Vì vậy, ở đâu có nguồn nhiệt thải liên tục và ổn định, thì giải pháp tận dụng nhiệt thừa, nâng cao hiệu suất của hệ thống bằng cách dùng MLHT để tận dụng luôn được ưu tiên hàng đầu do có triển vọng cao

Mặt khác, kinh tế biển là một trong những ngành mũi nhọn, có tiềm năng phát triển của Việt Nam, xu thế tất yếu là tiến ra biển lớn để tìm kiếm, khai thác Bởi vậy phải có chiến lược phù hợp nhằm bảo đảm cho những con tàu đủ sức ra khơi xa, neo đậu dài ngày trên biển để khai thác hải sản và bảo vệ vững chắc biển, đảo của Tổ quốc Có thể nói ngư dân hiện nay gặp phải khó khăn nhất khi đánh bắt

xa bờ (hàng nghìn km) với thời gian đi biển dài ngày là nguồn năng lượng để chạy tàu và bảo quản hải sản đã đánh bắt Phương pháp thông dụng hiện có là ướp đá lạnh Tuy nhiên, hiệu quả sử dụng nước đá không cao, hơn nữa lượng nhiên liệu cung cấp để vận chuyển đá trên tàu khá lớn, nên xu hướng chuyển sang sử dụng hệ thống lạnh trên tàu để sản xuất đá và phục vụ các nhu cầu lạnh khác Thực tế ta thấy, trên tàu có thể sử dụng các nguồn nhiệt như: nguồn nhiệt thải từ động cơ có nhiệt độ cao và liên tục, kết hợp với nguồn nhiệt của mặt trời là những nguồn nhiệt

xiii

rất cần thiết

Với cơ sở trên, tác giả của luận văn đã lựa chọn hướng nghiên cứu lý thuyết

và thực nghiệm ứng dụng máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời và nhiệt thải trên các phương tiện đánh bắt xa bờ Cụ thể, tác giả đã tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình MLHT sử dụng năng lượng mặt trời và nhiệt thải làm việc được trong điều kiện có rung lắc Mô hình đã được chế tạo thành công và thực hiện được các chế độ thực nghiệm cơ bản về MLHT Kết quả cho thấy thiết bị đã hoạt động ổn định và đáp ứng được yêu cầu đề ra

Do thời gian thực hiện đề tài có hạn và những hạn chế của cá nhân nên chắc không tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong sự góp ý, chỉnh sửa của các thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn

1

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan máy lạnh hấp thụ

1.1.1 Khái niệm, nguyên lý làm việc và phân loại máy lạnh hấp thụ

1.1.1.1 Khái niệm

Máy lạnh hấp thụ (MLHT) là loại máy lạnh sử dụng “máy nén nhiệt” Máy lạnh này được sử dụng ở những nơi có nguồn nhiệt năng cao và thường là nguồn năng lượng tận dụng như: năng lượng dư thừa, năng lượng thải, thứ cấp, rẻ tiền cụ thể như: nước nóng, hơi nóng, sản phẩm của các quá trình cháy, …

Môi chất sử dụng trong MLHT là hỗn hợp của hai chất có nhiệt độ sôi khác nhau Chất có nhiệt độ sôi thấp là môi chất lạnh, chất có nhiệt độ sôi cao là chất hấp thụ Ví dụ: cặp môi chất NH3/H2O có NH3 là môi chất lạnh còn H2O là chất hấp thụ Hay cặp môi chất LiBr/H2O có LiBr là môi chất lạnh còn H2O là chất hấp thụ MLHT và máy lạnh nén hơi có đặc điểm chung là có vòng tuần hoàn môi chất lạnh tương tự nhau Điểm khác biệt chính ở đây là máy nén trong MLHT sử dụng là loại máy nén nhiệt thay vì sử dụng loại máy nén hơi như trong máy lạnh thông thường

Cụm máy nén nhiệt bao gồm các thiết bị cơ bản như: Thiết bị hấp thụ, thiết bị sinh hơi, bơm dung dịch và tiết lưu dung dịch

1.1.1.2 Nguyên lý làm việc máy lạnh hấp thụ

a Sơ đồ nguyên lý chung về máy lạnh hấp thụ

Sơ đồ nguyên lý chung về MLHT thể hiện trong hình 1.1

b Nguyên lý làm việc máy lạnh hấp thụ

Trong MLHT có 2 vòng tuần hoàn chính là vòng tuần hoàn dung dịch và vòng tuần hoàn môi chất lạnh

- Vòng tuần hoàn dung dịch: Tại bình hấp thụ (HT) hơi sinh ra từ thiết bị bay hơi (BH) được “hút” về và cho tiếp xúc với dung dịch loãng từ van tiết lưu dung dịch đến Do ở nhiệt độ thấp, dung dịch loãng hấp thụ hơi môi chất để trở thành dung dịch đậm đặc Nhiệt tỏa ra trong quá trình hấp thụ thải cho môi trường làm

2

mát Dung dịch đậm đặc được bơm dung dịch bơm lên bình sinh hơi (SH) Ở đây do điều kiện nhiệt độ cao, phần hơi môi chất sẽ bị tách ra khỏi dung dịch đậm đặc để đi vào thiết bị ngưng tụ còn dung dịch trở thành dung dịch loãng Dung dịch loãng được đưa qua van tiết lưu dung dịch để trở lại bình hấp thụ Tại bình hấp thụ dung dịch loãng được kết hợp trở lại với hơi môi chất hạ áp ở phía thiết bị bay hơi để trở thành dung dịch đậm đặc, khép kín vòng tuần hoàn dung dịch, và lại tiếp tục một chu trình mới

- Vòng tuần hoàn môi chất: Hơi môi chất sinh ra sau thiết bị sinh hơi của máy nén nhiệt được đưa vào thiết bị ngưng tụ (NT) Tại thiết bị ngưng tụ hơi môi chất thải nhiệt cho môi trường giải nhiệt và ngưng tụ thành lỏng cao áp Lỏng cao áp đi qua van tiết lưu (TL) để hạ áp suất xuống lỏng hạ áp Môi chất sau tiết lưu tiếp tục được đưa vào thiết bị bay hơi (BH) Tại đây, môi chất có nhiệt độ bay hơi thấp hơn nhiệt độ môi trường cần làm lạnh nên nhận nhiệt và hóa hơi Hơi hạ áp lại được đưa

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ

NT: Thiết bị ngưng tụ; BH: Thiết bị bay hơi; TL: Thiết bị tiết lưu;

SH: Thiết bị sinh hơi; HT: Thiết bị hấp thụ; B dd : Bơm dung dịch;

TL dd : Tiết lưu dung dịch

2 3

3

về bình hấp thụ để kết hợp với dung dịch loãng ở bình hấp thụ (HT) của máy nén nhiệt Qua máy nén nhiệt hơi môi chất lại được tách ra ở thiết bị sinh hơi (SH) với trạng thái hơi cao áp để đưa trở lại thiết bị ngưng tụ khép kín vòng tuần hoàn môi chất và tiếp tục một chu trình mới

1.1.1.3 Phân loại

Máy lạnh hấp thụ có nhiều loại và thường được phân ra theo những loại sau:

- Phân loại theo cặp môi chất sử dụng ta có:

+ Máy lạnh hấp thụ NH3/H2O

+ Máy lạnh hấp thụ LiBr/H2O

- Phân loại theo chu trình làm việc ta có:

+ MLHT chu trình tác dụng đơn (Single Effect)

+ MLHT chu trình tác dụng kép (Double Effect)

+ MLHT chu trình một cấp

+ MLHT chu trình hai cấp

+ MLHT chu kỳ

+ MLHT khuếch tán

Dưới đây là một số loại máy lạnh hấp thụ thường sử dụng

a Máy lạnh hấp thụ Nước/Bromualiti (H 2 O/LiBr)

Máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong kĩ thuật điều hòa không khí, nhiệt độ sôi khoảng 7 oC Trong đó, nước là môi chất lạnh và bromualiti là chất hấp thụ Máy có những đặc điểm sau:

- Ưu điểm:

+ Tỷ số áp suất nhỏ Pk/Po 4, hiệu số áp suất thấp Pk - Po = 3,6 kPa

+ Không cần thiết bị tinh cất hơi môi chất vì từ dung dịch H2O/LiBr chỉ có hơi môi chất lạnh là nước thoát ra

+ Nhiệt độ nguồn nhiệt cấp cho bình sinh hơi cho phép thấp đến 80 oC do đó

có thể sử dụng các nguồn nhiệt thải rẻ tiền Nếu có nguồn hơi nước có nhiệt độ cao, đầu tiên có thể dùng chạy máy lạnh tuabin, sau đó mới dùng cho máy lạnh hấp thụ

H2O/LiBr

4

- Nhược điểm:

+ Tính ăn mòn của dung dịch rất cao, gây han gỉ thiết bị

+ Phải duy trì chân không trong thiết bị

+ Nhiệt độ làm lạnh không xuống quá được 5 oC vì ở đây môi chất lạnh là nước sẽ bị đóng băng

Máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr có một số loại sau:

* Máy lạnh hấp thụ H 2 O/LiBr tác dụng đơn (Single Effect)

Máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr tác dụng đơn (Single Effect) về nguyên lý gồm ba vòng tuần hoàn: tuần hoàn môi chất lạnh (nước); tuần hoàn dung dịch; tuần hoàn nước làm mát Trong thực tế người ta có bố trí thêm hồi nhiệt để tăng thêm hiệu quả nhiệt (gia nhiệt cho dung dịch loãng trước khi vào bình hấp thụ HT) Sơ đồ nguyên

lý của hệ thống được thể hiện trong hình 1.2

Trong sơ đồ trên bình 1 có áp suất ngưng tụ, nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ gia nhiệt tương ứng với nó là các thiết bị ngưng tụ và sinh hơi Bình 2 có áp suất bay hơi, nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ hấp thụ, tương ứng là thiết bị bay hơi và thiết bị hấp thụ Hai bình không cần bố trí thêm cách nhiệt vì chân không cao trong thiết bị

và tiết lưu về bộ phận hấp thụ ở bình 2 qua hệ thống vòi phun Nước sau khi ngưng

tụ ở dàn ngưng sẽ tiết lưu qua xi phông 4 để cân bằng áp suất rồi chảy về dàn bay hơi Tại đây, nhờ áp suất thấp, nước bay hơi sinh lạnh Hơi nước sinh ra sẽ được dung dịch loãng hấp thụ ở bộ phận hấp thụ Nhiệt tỏa ra do hấp thụ (hay ngưng tụ tại áp suất thấp) sẽ thải cho nước làm mát Lạnh ở dàn bay hơi sẽ được chất tải lạnh

là nước đưa đến nơi tiêu thụ

Sau khi hấp thụ hơi nước, dung dịch trở thành đậm đặc và được bơm dung dịch bơm lên bình sinh hơi Ở đây hồi nhiệt bố trí để tận dụng nhiệt từ dung dịch loãng

Các chi tiết chuyển động (sử dụng điện năng) là bơm dung dịch và bơm môi chất với yêu cầu độ kín lớn và chân không cao (vì môi trường trong các bình đòi hỏi

Chất tải lạnh

Nước làm mát

5

Hình 1.2 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ H 2 O/LiBr tác dụng đơn bố trí trong 2 vỏ 1,2: Vỏ bình; 3: Bơm môi chất lạnh; 4: Xi phông; 5: Nhánh phụ

SH: Sinh hơi; HT: Hấp thụ; B dd : Bơm dung dịch; NT: Dàn ngưng;BH:

Dàn bay hơi; HN: Hồi nhiệt -: Đường tuần hoàn dung dịch

:Đường tuần hoàn môi chất

Hình 1.3 là sơ đồ máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr được bố trí trong một vỏ Bình sinh hơi và ngưng tụ có áp suất cao được bố trí phía trên ngăn cách với phía dưới bởi vách ngăn (vách ngăn có bố trí phần thoát nước ngưng tụ xuống phía dưới Bình hấp thụ và bay hơi có áp suất thấp bố trí phía dưới Cách bố trí này cũng đòi hỏi chân không cao

* Máy lạnh hấp thụ H 2 O/LiBr tác dụng kép (Double Effect)

Với máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr tác dụng đơn đã giới thiệu ở trên có nhược điểm

là khi tăng nhiệt độ nguồn nhiệt thì COP gần như tăng không đáng kể, COPmax≤ 0,76 Do đó, để tận dụng hiệu suất của các nguồn nhiệt có nhiệt thế cao ta sử dụng

Hình 1.3 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ H 2 O/LiBr tác dụng đơn bố trí trong 1 vỏ SH: Sinh hơi; HT: Hấp thụ; NT: Dàn ngưng;BH: Dàn bay hơi; HN: Hồi

nhiệt; B dd : Bơm dung dịch; B mc : Bơm môi chất

7

sơ đồ tác dụng kép Sơ đồ này làm việc rất hiệu quả với phương pháp cấp nhiệt là khí đốt và đang được sử dụng rộng rãi để làm lạnh nước (chất tải lạnh) cho điều hòa không khí

Các sơ đồ máy lạnh hấp thụ tác dụng kép có nguyên tắc hoạt động chung như sau: hơi nước (môi chất lạnh) được sinh ra và quá nhiệt nhờ nguồn nhiệt có nhiệt độ cao từ bình sinh hơi SH đi vào ống xoắn tại bình trung gian TG Tại đây, hơi nước quá nhiệt nhả nhiệt cho nước bên ngoài ống xoắn rồi sục thẳng vào bình ngưng tụ

NT ngưng tụ hoàn toàn tại đây Nước trong bình trung gian TG được gia nhiệt sẽ hóa hơi và đi vào bình ngưng tụ nhờ hệ thống giảm áp rồi ngưng tụ tại đây Chính phần hơi nước (môi chất lạnh) bổ sung này đã làm tăng hiệu suất nhiệt Cách đặt tên

là tác dụng kép là do có 2 lần sinh hơi và 2 lần ngưng tụ (một lần ngưng tụ và sinh hơi đồng thời tại bình trung gian)

Loại thứ nhất (hình 1.4) là loại cấp dịch nối tiếp với 2 hồi nhiệt HN1 và HN2,

dung dịch đậm đặc được bơm dung dịch đưa vào bình sinh hơi SH

Loại sơ đồ này có các đặc điểm sau:

+ Dung dịch đậm đặc từ bình hấp thụ HT được cấp hoàn toàn vào bình sinh hơi SH

+ Dung dịch đậm đặc đi qua hồi nhiệt HN1 sau đó mới đến HN2 Bộ hồi nhiệt HN1 làm việc với dung dịch đậm đặc đến từ bình hấp thụ HT và dung dịch loãng đến từ bình trung gian TG Bộ hồi nhiệt HN2 làm việc với dung dịch đậm đặc đến từ HN1 và dung dịch trung gian từ bình sinh hơi SH Như vậy, dung dịch đậm đặc được gia nhiệt thêm khi qua HN2

+ Áp suất tại bình sinh hơi SH và ống xoắn trong bình trung gian TG là pk (lớn nhất) Áp suất tại bình ngưng tụ NT và trong bình trung gian TG là ptg < pk Áp suất tại bình bay hơi BH và bình hấp thụ HT là po < ptg

+ Nhiệt độ tại bình sinh hơi SH là tk Nhiệt độ trong bình trung gian TG và bình ngưng tụ NT là ttg < tk Tuy nhiên nhiệt độ trong ống xoắn tH ≈ ttg + 5 K Nhiệt

độ tại bình bay hơi BH và hấp thụ HT thấp nhất to < ttg

8

Loại thứ hai (hình 1.5) là loại cấp dịch nối tiếp với 2 hồi nhiệt, nhưng dung dịch

đậm đặc đưa vào bình trung gian và có thêm một bơm dung dịch để bơm dung dịch loãng vào bình sinh hơi SH Sơ đồ này có đặc điểm:

Hình 1.5 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ H 2 O/LiBr tác dụng kép loại 2

SH: Sinh hơi; HT: Hấp thụ; NT: Dàn ngưng;BH: Dàn bay hơi; HN: Hồi nhiệt; TG: Bình trung gian; B dd : Bơm dung dịch; B mc : Bơm môi chất lạnh;

B dd

Hơi nước Hơi nước

Nước làm mát Chất tải lạnh

Hình 1.4 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ H 2 O/LiBr tác dụng kép loại 1

SH: Sinh hơi; HT: Hấp thụ; NT: Dàn ngưng;BH: Dàn bay hơi; HN: Hồi nhiệt; TG: Bình trung gian; B dd : Bơm dung dịch; B mc : Bơm môi chất lạnh;

9

+ Dung dịch đậm đặc từ bình hấp thụ HT qua bộ trao đổi nhiệt HN1 trước khi cấp hoàn toàn vào bình trung gian TG

+ Bộ hồi nhiệt HN1 làm việc với dòng dung dịch đậm đặc đến từ bình hấp thụ

HT và dòng dung dịch loãng đến từ bộ hồi nhiệt HN2 Hội nhiệt HN2 làm việc với dòng dung dịch có đậm đặc đến từ bình trung gian TG và dòng dung dịch loãng từ bình sinh hơi SH Do đó, dung dịch đậm đặc được gia nhiệt thêm khi qua HN2

+ Áp suất của các bình trong sơ đồ này giống với sơ đồ phần a Tuy nhiên, áp suất làm việc của dòng dung dịch loãng từ bình SH đến bình HT giảm từ pk đến po (độ chênh áp khá lớn) do đó phải có phương án giảm áp thích hợp

- Loại 3 (hình 1.6) Máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr tác dụng kép (double effect) loại cấp dịch song song Loại này có đặc điểm sau:

+ Dung dịch đậm đặc được cấp đồng thời vào bình SH và bình TG với lưu lượng theo tỷ lệ quy định trước (trong thực tế chênh lệch không đáng kể)

+ Bộ hồi nhiệt HN1 làm việc với dòng dung dịch đậm đặc từ bình HT và dòng dung dịch loãng từ bình trung gian TG Bộ hồi nhiệt HN2 làm việc với dòng dung

Hình 1.6 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ H 2 O/LiBr tác dụng kép loại 3

SH: Sinh hơi; HT: Hấp thụ; NT: Dàn ngưng;BH: Dàn bay hơi; HN: Hồi

nhiệt; TG: Bình trung gian; B dd : Bơm dung dịch; B mc : Bơm môi chất lạnh;

Máy lạnh hấp thụ NH3/H2O có khả năng làm lạnh sâu với nguồn nhiệt có nhiệt

độ không quá cao Phạm vi ứng dụng lớn, tuy nhiên thiết bị có phần phức tạp Loại máy lạnh này có một số loại sau:

HN2

QD

Chất tải lạnh

3

Hình 1.7 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O một cấp

11

Nguyên lý hoạt động như sau: Nhiệt cấp vào bình sinh hơi SH (qua thiết bị trao đổi nhiệt) làm dung dịch sôi và bay hơi Hơi bay ra khỏi bình SH là NH3 (có lẫn một phần nhỏ H2O) đi đến bình ngưng tụ NT để ngưng tụ thành lỏng Lỏng NH3qua van tiết lưu TL đến bình bay hơi BH Hơi này được đưa về bình hấp thụ HT, hơi này được hấp thụ bởi dung dịch loãng từ bình SH trở về Sau đó, nhờ bơm dung dịch bơm trở lại bình sinh hơi SH tiếp tục chu trình tuần hoàn

Trong máy lạnh hấp thụ NH3/H2O có bố trí thêm thiết bị trao đổi nhiệt HN1 nhằm quá lạnh cho môi chất lỏng trước khi tiết lưu vào bình bay hơi BH và hồi nhiệt HN2 nhằm quá nhiệt cho dung dịch đậm đặc nhờ dung dịch loãng có nhiệt độ cao trước khi vào bình sinh hơi SH Vì amoniac có lẫn hơi nước nên trong bình sinh hơi SH phải bố trí thiết bị tinh luyện tách hơi nước ra khỏi hơi amoniac Để thực hiện công việc này phải bố trí thêm thiết bị ngưng tụ hồi lưu QD Do đó nhiệt cấp vào bình sinh hơi SH phải tăng một lượng QD so với chế độ làm việc không có ngưng tụ hồi lưu

* Máy lạnh hấp thụ Amoniac/Nước (NH 3 /H 2 O) hai và nhiều cấp

Đối với máy lạnh nén hơi NH3 nến Pk/Po > 9 thì người ta chuyển sang máy lạnh hai cấp nén Đối với máy lạnh hấp thụ, điều kiện vùng khử khí phải dương chỉ là điều kiện nhiệt động để duy trì chu trình máy lạnh hấp thụ hoạt động, nếu các điều kiện dẫn tới tỷ số nhiệt quá nhỏ thì người ta sử dụng máy lạnh hấp thụ hai hay nhiều cấp

Hình 1.8 là sơ đồ máy lạnh hấp thụ NH3/H2O hai cấp Chu trình gồm hai bình sinh hơi và hai bình hấp thụ tương ứng hai cấp áp suất hạ áp và cao áp SHC, SHT và

HTC, HTT Hơi môi chất sinh ra ở bình sinh ơi cao áp SHC được đưa vào dàn ngưng

tụ thì hơi môi chất sinh ra ở bình sinh hơi hạ áp SHT được đưa vào bình hấp thụ cao

áp HTC Bình hấp thụ hạ áp HTT hấp thụ hơi môi chất đi ra từ bình bay hơi Ba thiết

bị hội nhiệt HN1, HN2, HN3 làm nhiệm vụ trao đổi nhiệt Cụ thể như sau: HN1 nhằm quá lạnh cho lỏng từ dàn ngưng tụ trước khi tiết lưu về bình bay hơi HN2 và HN3 nhằm quá nhiệt cho dung dịch đậm đặc trước khi vào bình sinh hơi

HTC Phần lỏng còn lại qua HN1 và TL2 rồi về bình bay hơi

Ngoài ra, người ta còn tách 1 phần lỏng từ bình trung gian TG đến bình sinh hơi

hạ áp thực hiện ngưng tụ hồi lưu tại đây

Về áp suất, bình ngưng tụ NT và bình sinh hơi cao áp SHC có áp suất cao pk Bình hấp thụ hạ áp và bình bay hơi có áp suất thấp po Các thiết bị như bình trung gian TG, bình sinh hơi hạ áp SHT, bình hấp thụ cao áp có áp suất trung gian ptg

Hình 1.8 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O hai cấp

13

c Máy lạnh hấp thụ khuếch tán

Có hai loại máy lạnh hấp thụ khuếch tán là: máy lạnh hấp thụ khuếch tán với công suất lớn và máy lạnh hấp thụ khuếch tán với công suất nhỏ hay còn gọi là tủ lạnh hấp thụ gia đình

Sự ra đời của loại máy lạnh hấp thụ khuếch tán nhằm giải quyết bài toán: chế tạo máy lạnh hấp thụ không có chi tiết chuyển động Để thực hiện việc này ta phải cân bằng áp suất bay hơi với phần ngưng tụ và sinh hơi Nghĩa là thêm vào áp suất của một lượng khí trơ (nhằm tránh tác dụng với cặp môi chất) là ptr sao cho po + ptr = pk

Sự tuần hoàn của dung dịch trong hệ thống được thực hiện bằng bơm xiphong (mục đích là sử dụng sự chênh lệch nhiệt độ dẫn tới sự trênh lệch cột lỏng và khối lượng riêng)

Yêu cầu đối với loại khí trơ thêm vào là phải có khối lượng riêng ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất khí thêm vào phải nhẹ hơn môi chất lạnh hay độ trênh lệch về tỷ trọng là khá lớn Hình 1.9 mô tả sơ đồ nguyên lý của máy lạnh hấp thụ khuếch tán

1 2

Dàn ngưng; 6:Bình chứa H 2 ; 7: Dàn bay hơi; 8: tủ cách nhiệt;

9: Hồi nhiệt dòng hơi; 10: Dàn hấp thụ; 11: Bình chứa dung

dịch; 12: Hồi nhiệt dung dịch lỏng

14

Chu trình của máy lạnh hấp thụ khuếch tán gồm 3 vòng tuần hoàn Thứ nhất: Vòng tuần hoàn môi chất lạnh amoniac; thứ hai: Vòng tuần hoàn của dung dịch; thứ ba: Vòng tuần hoàn của khí trơ

Vòng tuần hoàn của NH3: Môi chất lạnh từ bình sinh hơi vào dàn ngưng, ngưng

tụ rồi chảy vào dàn bay hơi (còn gọi là dàn khuếch tán) Hơi NH3 sẽ khuếch tán vào khí H2

Vòng tuần hoàn dung dịch: Dung dịch đặc được bơm xiphong bơm từ dàn hấp thụ vào bình sinh hơi Dung dịch sau khi sinh hơi NH3 trở thành dung dịch loãng

Do chênh lệch cột lỏng (áp suất) dung dịch loãng tự chảy về dàn hấp thụ

Vòng tuần hoàn của hydro: Khí hydro trong dàn khuếch tán theo hơi NH3 lắng

về dàn hấp thụ Hơi NH3 được dung dịch hấp thụ dần Hỗn hợp càng ít hơi NH3càng nhẹ Dòng hỗn hợp chuyển động dần lên đỉnh dàn hấp thụ Khi hết hơi NH3hydro chuyển động trở lại dàn bay hơi Bình chứa hydro dùng để cân bằng áp suất khi nhiệt độ bên ngoài thay đổi

Ngoài ra còn có bố trí thêm hồi nhiệt 9 cho dòng hơi giữa NH3 vào và H2 ra khỏi dàn bay hơi, hồi nhiệt 12 cho dung dịch đậm đặc vào bình sinh hơi và dung dịch loãng ra khỏi bình sinh hơi

Trong thực tế vẫn có Hydro ở dàn ngưng, hoặc khi ra khỏi dàn hấp thụ là Hydro tinh khiết nhưng thực chất vẫn có lẫn NH3 và H2O

1.1.2 Đặc trưng cơ bản của máy lạnh hấp thụ

1.1.2.1 Môi chất dùng trong máy lạnh hấp thụ

Trong máy lạnh hấp thụ, môi chất sử dụng là dạng hỗn hợp gồm môi chất lạnh

và chất hấp thụ nên người ta gọi là cặp môi chất Cặp môi chất có hai loại là:

- Cặp môi chất hấp thụ: Là cặp môi chất có liên kết hóa học với nhau như:

để môi chất lạnh sinh ra ở bình sinh hơi không lẫn chất hấp thụ Nhiệt dung riêng của dung dịch phải bé để tăng hiệu quả gia nhiệt

Trong thực tế một số cặp môi chất có thể sử dụng cho MLHT được giới thiệu trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Cặp môi chất sử dụng trong máy lạnh hấp thụ

16

Trong những cặp môi chất trên có hai cặp môi chất phổ biến là NH3/H2O và

H2O/LiBr MLHT sử dụng những cặp môi chất này có đặt điểm sau:

* Đặc điểm cặp môi chất H 2 O/LiBr:

+ Nước là môi chất lạnh nên đảm bảo vệ sinh môi trường

+ Tỷ số áp suất ngưng tụ và áp suất bay hơi nhỏ (≈ 4)

+ Không cần thiết bị tinh cất hơi môi chất vì dung dịch H2O/LiBr chỉ có hơi của môi chất lạnh là nước thoát ra

+ Nhiệt độ cấp cho thiết bị sinh hơi cho phép thấp đến 80 oC

+ Tính ăn mòn của dung dịch rất cao, gây han rỉ thiết bị nên yêu cầu phải dùng kim loại quý, đắt tiền

+ Phải duy trì độ chân không rất sâu trong thiết bị

+ Có khả năng xảy ra sự kết tinh gây tắc, nghẽn thiết bị

+ Nhiệt độ bay hơi thấp nhất chỉ đạt 5 oC vì môi chất lạnh là nước, đóng băng ở 0 oC

* Đặc điểm cặp môi chất NH 3 /H 2 O:

+ Môi chất lạnh là NH3 nên phù hợp với ứng dụng làm lạnh sâu

+ Có tính nhiệt động phù hợp Nhiệt dung riêng lớn nên có lợi về nhiệt cho các MLHT có chu kỳ

+ Cặp môi chất này cũng có một số nhược điểm là độc hại, ăn mòn đồng và các hợp kim của đồng Lượng nước cuốn theo hơi NH3 rất lớn nên cần phải có thiết

bị tinh luyện hơi NH3 trước khi vào bình ngưng

+ Ứng dụng phổ biến trong thực tế

1.1.2.2 Năng lượng dùng cho máy lạnh hấp thụ và điều kiện áp dụng

Nhiệt năng là điều kiện cần cho MLHT làm việc Chất lượng nguồn nhiệt quyết định khả năng và năng suất làm việc của MLHT Trong thực tế ta có một số nguồn nhiệt năng có thể sử dụng cho MLHT như sau:

a Năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là năng lượng sạch, sẵn có, thân thiện với môi trường và có trữ lượng lớn Nguồn năng lượng này ngày càng được ứng dụng nhiều trong các

17

lĩnh vực của đời sống và là hướng ưu tiên được khuyến khích phát triển So với các ứng dụng khác, việc sử dụng năng lượng mặt trời để làm lạnh nói chung và điều hòa không khí nói riêng rất phù hợp vì có sự đồng biến giữa nhu cầu sử dụng lạnh và cường độ bức xạ mặt trời nhận được Tuy nhiên do còn một số hạn chế như: tính tiện dụng, giá thành cao nên trong thực tế việc ứng dụng năng lượng mặt trời để làm lạnh và điều hòa không khí vẫn chưa được ứng dụng nhiều Vì vậy, nếu khai thác sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng này thì đây là nguồn năng tiềm năng cho máy lạnh hấp thụ

Với điều kiện nước ta là một nước có vị trí địa lý nằm trong khoảng vĩ độ từ

8o30’ bắc đến 23o22’ bắc, rất thuận lợi cho việc khai thác năng lượng mặt trời Ở các tỉnh phía nam, số giờ nắng trung bình là 6,5 giờ/ngày; ở phía bắc có thấp hơn nhưng cũng đạt khoảng 5 giờ/ngày; cường độ tổng lượng bức xạ trung bình trong khoảng 5,2 kWh/m2 ngày [6] Vì thế, Việt Nam là nơi có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời và là cơ sở để áp dụng MLHT vào thực tế

Hiện nay, các bộ thu năng lượng mặt trời đang được phát triển và sử dụng rộng rãi để phục vụ cho các ứng dụng của con người Đây cũng là yếu tố thuật lợi để sử dụng năng lượng mặt trời cho MLHT

Trong thực tế, một số loại MLHT đã được nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời với một số nguyên lý như sau:

- Làm lạnh theo kiểu hấp thụ

Đây là phương án sử dụng trực tiếp nhiệt lượng nhận được từ các tia bức xạ mặt trời để phát sinh lạnh Cặp môi chất bao gồm môi chất lạnh và chất hấp thụ hoặc chất hấp phụ Chất hấp thụ là chất mà trong quá trình làm việc thì các tính chất vật

lý và hóa học của nó có thể bị biến đổi Thông thường các chất này ở thể lỏng Trong thực tế hiện nay người ta thường sử dụng hai cặp môi chất là NH3 /H2O và

H2O/LiBr Chất hấp phụ thì trong quá trình làm việc tính chất vật lý không thay đổi

và thường là chất rắn như than hoạt tính

Với cặp môi chất NH3/H2O, thông thường các máy lạnh hấp thụ năng lượng mặt trời được thiết kể để sản xuất nước đá hoặc để bảo quản thực phẩm, thuốc men ở

18

vùng sâu vùng xa Với thiết kế này, sơ đồ gián đoạn thường được ưu tiên do chế tạo đơn giản, giá thành rẻ và là một trong các phương án tích trữ năng lượng mang tính khả thi cao Sơ đồ thực tế của máy lạnh hấp thụ năng lượng mặt trời loại gián đoạn làm việc với dung dịch NH3/H2O được trình bày trong hình 1.10

Trong sơ đồ trên, Collector tấm phẳng đảm nhận vai trò bình sinh hơi trong giai đoạn thứ nhất và bình hấp thụ ở giai đoạn thứ hai

Ban ngày, khi có nắng collector 1 sẽ đảm nhận vai trò bình sinh hơi Trong giai đoạn này người vận hành phải ở van 2, đóng van 4 và 7 Dưới tác động của các tia bức xạ mặt trời, dung dịch trong collector 1 sẽ sôi và bay hơi Tác nhân lạnh bay ra

từ collector 1 sẽ được tích trữ trong bình chứa 3 Khi không còn đủ nắng người vận hành phải đóng van 2 để bảo toàn lượng tác nhân lạnh đã tích trữ được đồng thời phải mở các kết cấu bao che và cách nhiệt của collector 1 để chuẩn bị tiến hành quá trình hấp thụ tác nhân lạnh ngược trở lại vào collector Vào ban đêm, các van 4 và 7 cần phải được mở ra, khi đó tác nhân lạnh sẽ đi từ bình chứa 3, qua van tiết lưu 5 vào dàn bay hơi 6 để về collector 1

- Làm lạnh theo kiểu hấp phụ

Khác với cặp môi chất trong máy lạnh hấp thụ, cặp môi chất trong máy lạnh hấp phụ không thay đổi tính chất hóa học khi hoạt động Thông thường chất hấp phụ là chấy rắn như than hoạt tính còn môi chất lạnh là chất lỏng như Etanol

Hình 1.10 Máy lạnh hấp thụ năng lượng mặt trời loại gián đoạn NH 3 /H 2 O 1: Collector; 2,4,7: van chặn; 3: Bình chứa; 5: Van tiết lưu; 6: Dàn bay hơi

1

3 2

4 5 6 7

Vào ban ngày van chặn mở, van tiết lưu đóng Trong giai đoạn này dưới tác dụng của các tia bức xạ mặt trời, tác nhân lạnh bay sẽ bốc hơi ra khỏi chất hấp phụ

và được ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ và chứa tại bình chứa Vào cuối gia đoạn tích trữ tác nhân lạnh, van chặn được đóng lại Giai đoạn làm lạnh thường được thực hiện vào ban đêm, khi nhiệt độ hệ thống giảm, chất hấp thụ làm nhiệm vụ hấp thụ môi chất lạnh, áp suất hệ thống giảm xuống Lúc này mở van tiết lưu, môi chất

sẽ được tiết lưu vào thiết bị bay hơi Hơi môi chất thu nhiệt của sản phẩm làm lạnh

và bay hơi Hơi môi chất lại được chất hấp phụ hấp phụ hết và đảm bảo điều kiện giải nhiệt cho quá trình hấp phụ vì quá trình này sẽ sinh ra nhiệt

- Làm lạnh theo kiểu hấp thụ khuếch tán

Máy lạnh hấp thụ khuếch tán sử dụng năng lượng mặt trời thường có công suất nhỏ và hoạt động theo sơ đồ liên tục Thông thường chất làm việc trong máy lạnh hấp thụ khuếch tán là dung dịch NH3/H2O

Hình 1.11 Sơ đồ máy lạnh hấp phụ năng lượng mặt trời loại gián

đoạn

Bé hÊp thô

ThiÕt bÞ ng-ng tô

Van chÆn

Van tiÕt l-u

B×nh chøa

ThiÕt bÞ bay h¬i

20

- Làm lạnh kết hợp năng lượng mặt trời với các nguồn năng lượng khác

Hình 1.12 trình bày sơ đồ được nghiên cứu bởi các nhà khoa học ở châu Âu với mục đích sử dụng kết hợp năng lượng mặt trời và các nguồn nhiệt khác (chủ yếu là nhiệt thải thu hồi)

Trong sơ đồ trên bộ thu năng lượng mặt trời và bộ gia nhiệt có vai trò như nhau Chất tải nhiệt ở đây là nước lạnh và tuần hoàn trong chu trình cấp nhiệt do bơm

b Năng lượng từ các nguồn nhiệt thải, tận dụng

- Các nguồn nhiệt thải:

Nhiệt thải là năng lượng ở dạng nhiệt năng được thải ra ngoài môi trường sau một quá trình sử dụng năng lượng bất kì Theo nguồn gốc phát sinh có thể chia nhiệt thải ra làm 2 loại:

+ Loại thứ nhất bao gồm tất cả các nguồn nhiệt thải phát sinh từ các quá trình sản xuất trong công nghiệp Chủng loại của các nguồn nhiệt này khá đa dạng, thông thường là nước nóng, hơi nước, không khí nóng và khói thải

+ Loại thứ hai là các thành phần nhiệt thải do các động cơ nhiệt thải ra môi trường trong quá trình làm việc hoặc nhiệt lượng do các chất dùng để làm mát động

cơ và các thành phần khí khác mang ra

Việc khai thác và tận dụng các nguồn nhiệt thải có thể được thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp Nếu nguồn nhiệt thải đảm bảo được độ trong sạch và không gây ăn

Hình 1.12 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ sử dụng các nguồn nhiệt kết hợp

Tháp giải nhiệt

Bộ gia nhiệt

Thùng chứa nước

MLHT

Thiết bị trao đổi nhiệt

Bộ thu

NLMT

ta chia các nguồn nhiệt thải ra làm ba loại:

+ Loại nhiệt thế cao

+ Loại nhiệt thế trung bình

Bảng 1.2 Một số loại nhiệt thải và mức nhiệt độ tương ứng

Nhiệt thế

trung bình

Khói thải từ động cơ đốt trong 316 – 500

Nhiệt thế

thấp

Nước làm mát lò tôi kim loại 50 – 250 Nước làm mát động cơ đốt trong 60 – 120 Nước ngưng tụ từ các quá trình sản xuất 40 – 80 Nước giải nhiệt bình ngưng của máy lạnh

và hệ thống điều hòa không khí 35 – 43

22

- Máy lạnh hấp thụ sử dụng nguồn nhiệt thải

Trong điều kiện các nguồn năng truyền thống đang cạn kiệt, một trong những phương án hiệu quả cho việc sử dụng tiết kiệm năng lượng là việc kết hợp để tạo ra hai dạng năng lượng có ích trên cơ sở chỉ sử dụng một nguồn năng lượng sơ cấp ở đầu vào Hệ thống như vậy gọi là hệ thống đồng phát

Như vậy hệ thống đồng phát với máy lạnh hấp thụ là việc kết hợp quá trình sản xuất ra điện năng hay cơ năng với việc sản xuất nhiệt năng cung cấp cho máy lạnh hấp thụ Tuy nhiên ngoài việc kết hợp theo hệ thống đồng phát, thì việc tận dụng các nguồn nhiệt thải khác của quá trình sản xuất nào đó để sử dụng cho máy lạnh hấp thu cũng rất được quan tâm

Trong thực tế người ta dùng nước nóng, hơi nước hoặc khí đốt để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ Tùy vào dải nhiệt độ của nhiệt thải để có những phương án sử dụng phù hợp như:

+ Sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp các nguồn nhiệt thải thuộc loại nhiệt thế cao Thông thường người ta sử dụng gián tiếp do nhiệt độ cấp cho máy lạnh hấp thụ

là từ (80 ÷ 150) oC

+ Đối với các nguồn nhiệt thải có nhiệt thế trung bình người ta cũng thường lựa chọn cấp nhiệt theo kiểu gián tiếp Chất tải nhiệt trong trường hợp này là hơi nước ở áp suất thấp hoặc nước nóng

+ Nguồn nhiệt có nhiệt thế thấp thường được chú trọng nhất vì trong thực tế đời sống nguồn nhiệt này rất phổ biến Với các nguồn nhiệt có nhiệt độ t ≥ 190 oC

có thể sử dụng để sản xuất hơi nước có p ≈ (10 ÷ 14) bar Với nguồn nhiệt thải có nhiệt độ t ≤ 190 oC thường dùng để sản xuất nước nóng để cấp nhiệt cho MLHT Nếu các nguồn nhiệt thải ở dạng hơi nước hoặc nước nóng có thể sử dụng trực tiếp nguồn nhiệt này

Ngoài ra, cần lưu ý đến mức độ trong sạch, khả năng đóng cáu và ăn mòn thiết

bị của các nguồn nhiệt thải Tùy theo mức độ ổn định và khả năng cấp nhiệt của các nguồn nhiệt thải cần bố thêm hệ thống cấp nhiệt phụ

+ Nhiệt độ nước làm mát đi vào MLHT

+ Nhiệt độ và độ ẩm của môi trường xung quanh

+ Độ gia tăng nhiệt độ của nước làm mát

+ Độ sụt giảm nhiệt độ của chất tải lạnh giữa đầu ra và đầu vào của MLHT

1.1.2.3 Vật liệu chế tạo máy lạnh hấp thụ

Máy lạnh hấp thụ cũng như các hệ thống máy lạnh khác, việc lựa chọn vật liệu

sử dụng cho hệ thống là rất quan trọng Căn cứ vào yêu cầu công nghệ, điều kiện chế tạo, điều kiện sửa chữa thay thế, độ bền, điều kiện kinh tế …để lựa chọn vật liệu một cách hiệu quả nhất

a Vật liệu kim loại

Trong hệ thống lạnh các vật liệu kim loại phải đáp ứng được một số yêu cầu sau:

- Phải đủ bền và có đầy đủ các tính chất vật lý cần thiết trong điều kiện nhiệt độ

và áp suất vận hành

- Phải trơ hóa học với các môi trường mà hệ thống lạnh trực tiếp tiếp xúc như: môi chất lạnh, dầu bôi trơn, ẩm, chất hút ẩm, các hóa chất có hại sinh ra khi vận hành, các chất tải lạnh, các môi trường làm mát, môi trường làm lạnh và sản phẩm cần bảo quản

24

- Phải kinh tế nghĩa là phải rẻ tiền, dễ gia công, chế tạo

Một số kim loại chế tạo máy thường dùng và có khả năng ứng dụng trong kỹ thuật lạnh được giới thiệu trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Một số kim loại sử dụng trong kỹ thuật lạnh

Không sử dụng cho môi chất amoniac (trừ đồng thau phôt pho-chì)

Thận trọng khi dùng với Freon, chỉ sử dụng sau khi đã thử nghiệm Hợp kim với Mg>2,5 %

có nhiều nhược điểm hơn: cũng thận trọng với NH3 Không sử dụng cho nước muối

Crôm,

Niken

Dùng để bảo vệ bề mặt hoặc để tinh luyện, là thành phần của thép hoặc gang đúc

Sử dụng cho tất cả các môi chất lạnh

Titanium,

Inox

Dùng để chế tạo vỏ, các chi tiết, đường ống trong hệ thống lạnh khi có yêu cầu về ăn mòn

và vệ sinh thực phẩm

Sử dụng cho tất cả các môi chất lạnh

Magiê, Kẽm Là thành phầnt trong các hợp

kim Kẽm dùng để chế tạo bề mặt

Không sử dụng cho môi chất lạnh là Freon và NH3

Thiếc Là thành phần trong các hợp

kim và để bảo vệ bề mặt Không sử dụng cho NH3

Chì Làm đệm kín Là thành phần

của hợp kim trong ổ đỡ và ổ trượt

Có thể xảy ra phản ứng với các thành phần Clo trong môi chất Freon

Với bảng kỹ thuật trên ta thấy với hệ thống sử dụng môi chất lạnh NH3 nên sử dụng kim loại đen và các loại thép không gỉ (Titanium, inox )

b Vật liệu phi kim

Các vật liệu phi kim trong kỹ thuật lạnh thường dùng gồm: cao su, chất dẻo, amiăng, nhựa nhân tạo, thủy tinh và gốm Những vật liêu này thường được sử dụng

để làm đệm kín, vật liệu cách điện, làm các thiết bị quan sát trong hệ thống

25

Môi chất NH3 và các môi chất vô cơ khác hầu như không tác động và ăn mòn các vật liệu phi kim chế tạo máy Nhưng với Freon thì có thể hòa tan hoặc làm trương phồng các doăng đệm bằng cao su

1.2 Tổng quan nghiên cứu về máy lạnh hấp thụ

1.2.1 Kết quả nghiên cứu trên thế giới

Kể từ năm 1810, máy lạnh hấp thụ với cặp môi chất H2O/H2SO4 đầu tiên do Leslie (Pháp) đưa ra, đến giữa thế kỉ XIX hệ thống này được phát triển rầm rộ nhờ vào kĩ sư Carré (Pháp) với hàng loạt bằng phát minh về máy lạnh hấp thụ và liên tục với các cặp môi chất khác nhau Với chặng đường phát triển gần 200 năm, ngày nay các loại MLHT khác nhau đã được hoàn chỉnh và sử dụng trong nhiều lĩnh vực ở nhiều nước trên thế giới nhất là ở Nga, Nhật, Mỹ và Trung Quốc…[12] Ví dụ một số các công bố về MLHT tận dụng nguồn nhiệt thải này phục vụ cho điều hòa không khí, các máy lạnh (Wang và cộng sự [43], Fernández-Seara và cộng sự [38]) Một trong những lĩnh vực khác được sử dụng MLHT với năng lượng mặt trời và nhiệt thải trên tàu cá đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học

Tác giả Wang [42] phân tích tiến trình phát triển việc sử dụng công nghệ hấp thụ cho mục đích đáp ứng các nhu cầu lạnh trong tàu cá Tác giả cho rằng công nghệ hấp thụ vẫn chưa thích nghi để sử dụng trên tàu cá Hệ thống hấp thụ rắn và hấp thụ

NH3/H2O có tiềm năng cao cho việc sử dụng năng lượng nhiệt thải

Fernandez-Seara và cộng sự [38] chứng minh khả năng của MLHT sử dụng

NH3/H2O để cung cấp cho hệ thống lạnh trên tàu sử dụng một hệ thống thu hồi nhiệt thải của động cơ trên tàu Trong đó dầu tổng hợp được sử dụng như chất tải nhiệt, năng lượng nhiệt thu hồi từ động cơ khí xả là 16,6 kW và công suất làm lạnh của hệ thống là 8,33 kW Các tác giả tổng kết hiện nay loại máy lạnh nén hơi được sử dụng chính trong các tàu truyền thống (sử dụng đá vẩy để bảo quản cá) làm đá tan chảy chậm hơn Các tàu này không sử dụng bất kỳ hệ thống thu hồi nhiệt nào Các tác giả cũng tổng kết: đối với những tàu cá được trang bị động cơ diesel bốn thì với công suất từ 700 kW đến 1200 kW có sức chứa bảo quản từ (80÷150) m3, cần công suất

26

làm lạnh từ (5÷10) kW với nhiệt độ bảo quản là 0 oC và nhiệt độ bay hơi là âm 10

oC Nếu lượng nhiệt lớn có thể thu hồi từ động cơ này có thể sử dụng trong hệ thống MLHT phục vụ các nhu cầu làm lạnh nêu trên

Peranic và cộng sự [34] thiết kế và so sánh hệ thống máy lạnh nén hơi dùng NH3

và MLHT dùng NH3/H2O chạy bằng nhiệt thu hồi từ khí thải động cơ sử dụng ở tàu

có kích thước trung bình để làm lạnh nước biển Tác giả tổng kết là khí thải từ các động cơ có nhiệt độ 400 ºC và lấy khoảng 30 % tổng nhiệt đầu vào của nhiên liệu

và khoảng 28 % cho nước làm mát động cơ Khi điều tra một động cơ diesel 700

kW thì năng lượng nhiệt phát thải là 425 kW Như vậy, nhiệt thải có thể được thu hồi và sử dụng trong MLHT để tăng hiệu suất năng lượng so với sử dụng chu trình nén hơi

Trong công nghệ MLHT trên tàu cần có những vấn đề kỹ thuật đặc trưng, chủ yếu là việc xử lý các môi chất trong một hệ thống chuyển động có gia tốc Cấu hình màng rơi thường được sử dụng trong các thiết bị nhiệt của MLHT thương mại có thể bị phá vỡ bởi sự chuyển động liên tục, ảnh hưởng xấu đến quá trình truyền nhiệt, truyền chất Safarik và cộng sự [37] tổng kết một MLHT dùng H20/LiBr dùng năng lượng nhiệt thải có sẵn từ động cơ chính hoặc các máy phát điện diesel phù hợp với yêu cầu làm lạnh ở trên tàu và sử dụng để cung cấp cho hệ thống HVAC trong tàu chở hàng MLHT này đã được điều chỉnh bên trong để tránh xáo trộn môi chất làm lạnh với các giải pháp trong điều kiện nhất định trên biển và để cho phép các máy làm lạnh thích ứng với điều kiện nghiêng tĩnh và động Thực hiện thử nghiệm MLHT có công suất danh nghĩa 140 kW tại một cơ sở thử nghiệm hải quân Đức trong điều kiện biển thực COP của hệ thống giảm khoảng 14 % so với hoạt động bình thường khi máy làm lạnh hoạt động liên tục ở độ nghiêng động ±20 º Các tác giả kết luận công suất làm lạnh lắp đặt trong một tàu hàng hóa thông thường tàu thay đổi từ 150 kW đến 500 kW và tiêu thụ 5 % đến 15 % năng lượng cung cấp trên tàu khi hoạt động trên biển Tác giả báo cáo các thiết bị làm lạnh hấp thụ cho các ứng dụng biển phải hoạt động tin cậy ngay cả trong điều kiện sóng mạnh (động

27

± 22,5º, tĩnh 15º ) và phải bền cơ học để chịu được lực gia tốc (± 0,8 g) và rung động

Cặp môi chất NH3/H2O có áp suất làm việc cao hơn nên cho phép sử dụng thiết

bị hấp thụ kiểu bọt và bình sinh hơi loại thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm được coi là

ít bị ảnh hưởng bởi góc nghiêng của máy Cerezo và cộng sự [24] và Táboas và cộng sự [39] nghiên cứu quá trình hấp thụ với hỗn hợp NH3/H2O sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm ở điều kiện vận hành có rung lắc Kết quả thực nghiệm cho thấy tính khả thi của chu kỳ hấp thụ sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm Hạn chế của việc sử dụng cặp chất NH3/H2O trong chu trình hấp thụ là hơi sau khi ra khỏi bình sinh hơi phải được tinh cất trước khi vào bình ngưng Do đó, cần có một tháp tinh cất ở phía trên của bình sinh hơi Tuy nhiên, như Fernández-Seara và cộng

sự [38] chỉ ra hoạt động của cột chưng cất cũng có thể bị ảnh hưởng bởi độ nghiêng của tàu và bởi sự thiếu hụt NH3 tinh khiết với hàm lượng nước đáng kể có thể tới được thiết bị bay hơi (nơi nước có xu hướng tích lũy) dẫn đến làm giảm hiệu quả của chu kỳ

Hỗn hợp môi chất làm việc NH3/LiNO3 đã được nghiên cứu để tránh việc sử dụng các cột chưng cất trong máy lạnh hấp thụ NH3 Việc sử dụng hỗn hợp này làm giảm nhiệt độ yêu cầu cho nguồn nhiệt, đồng thời làm cho nó phù hợp hơn với các ứng dụng làm mát sử dụng năng lượng mặt trời Phân tích nhiệt động lực học của chu kỳ làm lạnh hấp thụ sử dụng NH3/LiNO3 dự đoán có COP cao hơn so với máy

sử dụng cặp chất NH3/H2O (Chinnappa [25], Antonopoulos và Rogdakis [20], Heard [28], Ayala và cộng sự [21], Rivera và Rivera [36])

Mặc dù cặp môi chất NH3/LiNO3 có những ưu điểm trên, nhưng chu trình hấp thụ sử dụng cặp chất này vẫn chưa được thương mại hoá Kết quả thực nghiệm thu được thấp hơn kỳ vọng Trong các thí nghiệm, Rivera và Best [35] thu được hệ số truyền nhiệt trong điều kiện sôi NH3/LiNO3 và NH3/H2O Các tác giả báo cáo rằng

hệ số truyền nhiệt của NH3/LiNO3 thấp hơn 2 đến 3 lần so với NH3/H2O Heard [28]

đề cập đến giá trị COP đạt được và năng suất làm lạnh giảm so với giá trị mong đợi chủ yếu do hiệu suất của quá trình hấp thụ thấp, bị giảm bởi độ nhớt cao của dung