Nghiên cứu tính toán thiết kế máy lạnh hấp thụ nh3 h2o loại gián đọan cấp nhiệt bằng phụ phẩm nông nghiệp để sản xuất nước đá báo cáo tổng kết kết quả đề tài khcn cấp trường msđt t ck 2012 04

26 5.3 Ảnh hưởng của áp suất dung dịch và nhiệt độ giải nhiệt đến nồng độ dung dịch đậm đặc 27 5.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch và nhiệt độ ngưng tụ đến nồng độ dung dịch loãng 27 5

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

FOG

BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ

ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY LẠNH HẤP THỤ

NH 3 -H 2 O LOẠI GIÁN ĐOẠN CẤP NHIỆT BẰNG PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP ĐỂ SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ

Mã số đề tài:T-CK-2012-04

Thời gian thực hiện: 12 tháng

Chủ nhiệm đề tài: VÕ KIẾN QUỐC

Cán bộ tham gia đề tài:

Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 9/2014

Danh sách các cán bộ tham gia thực hiện đề tài

(Ghi rõ học hàm, học vị, đơn vị công tác gồm bộ môn, Khoa/Trung tâm)

1 ThS Võ Kiến Quốc

2

3

M c l c 

1   Đặt vấn đề 4  

2   Tổng quát về máy hấp thụ NH 3 -H 2 O 5  

2.1   Sự khác biệt giữa máy lạnh hấp thụ và máy lạnh có máy nén hơi 5  

2.2   Dung dịch làm việc 6  

2.3   Ưu điểm của MLHT 7  

2.4   Nhược điểm của MLHT: 9  

2.5   Nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ NH 3 -H 2 O 10  

3   Các kết quả nghiên cứu 11  

3 1   Thống kê lượng phụ phẩm nông nghiệp ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long: 11  

3 2   Xác định nhiệt trị của trấu 14  

3 3   Lập sơ đồ các phương án và phân tích lựa chọn phương án thiết kế 15  

4   Tính toán chu trình thiết bị lạnh: 19  

5   Chương trình mô phỏng 24  

5.1   Ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch đến áp suất và nồng độ dung dịch trong bình phát sinh 25   5.2   Ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch đến nồng độ hơi NH 3 trong bình phát sinh 26  

5.3   Ảnh hưởng của áp suất dung dịch và nhiệt độ giải nhiệt đến nồng độ dung dịch đậm đặc 27   5.4   Ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch và nhiệt độ ngưng tụ đến nồng độ dung dịch loãng 27   5.5   Ảnh hưởng của lượng tiêu hao nhiên liệu đến nhiệt độ dung dịch trong bình phát sinh 28   6   Các kết quả mới nổi bật 29  

7   Kết luận và kiến nghị 30  

Phụ lục 32  

Phụ lục 1 32  

Phụ lục 2 34  

Máy lạnh hấp thụ ra đời từ rất lâu, tuy nhiên ưu điểm của máy lạnh này đã bị lãng quên trong một thời gian dài cho đến khi vấn đề môi trường và biến đổi khí hậu được đề cao thì máy lạnh hấp thụ đang được chú ý trở lại Hiện nay máy lạnh hấp thụ

đã và đang thay thế vai trò của máy lạnh có máy nén hơi ở các nước phát triển như:

Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc, Nga,…

Ưu điểm của máy lạnh hấp thụ là không làm việc bằng điện năng mà làm việc với nhiệt năng và sử dụng môi chất lạnh thân thiện với môi trường Nguồn nhiệt sử dụng cho máy lạnh hấp thụ có thể là nguồn nhiệt thải trong công nghiệp, nhiên liệu hóa thạch, phụ phẩm nông nghiệp hoặc năng lượng mặt trời

Nước đá là một sản phẩm không thể thiếu trong đời sống hiện đại, hiện nay toàn bộ nước đá ở nước ta được sản xuất bằng máy lạnh có máy nén hơi Thời gian làm đá cây 50kg hiện nay là trên 20 giờ/mẻ, với thời gian này hệ thống máy lạnh có máy nén hơi tiêu thụ một lượng điện năng là không nhỏ Do đó ở những khu vực không có lưới điện thì việc sản xuất nước đá bằng máy lạnh có máy nén hơi là rất khó khăn Làm lạnh bằng máy lạnh hấp thụ là một phương pháp được biết đến từ rất lâu Tuy nhiên những ưu điểm của máy lạnh có máy nén hơi đã làm cho con người quên lãng kỹ thuật này, cho đến khi con người thấy được tác hại đến môi trường của máy lạnh có máy nén hơi thì máy lạnh hấp thụ là một lựa chọn ưu tiên hiện nay ở các nước đang phát triển

Ở nước ta hiện nay thì máy lạnh hấp thụ vẫn còn rất xa lạ Tuy nhiên trong những năm gần đây thì máy lạnh hấp thụ cũng đang được sự quan tâm trở lại Năm

2004 Trần Thanh Kỳ [1] đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công hệ thống máy

lạnh hấp thụ NH3-H2O để sản xuất nước đá có năng suất là 3,2 tấn đá/ngày Nhiên liệu

sử dụng là các loại nhiên liệu rẻ tiền như: than cám, trấu và mùn cưa Kết quả nghiên cứu cho thấy giá thành sản xuất 1kg đá dao động trong khoảng từ 86,1-95,8 đồng Năm 2006 Võ Kiến Quốc và Lê Chí Hiệp [2] đã nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

cánh để sản xuất nước đá Kết quả nghiên cứu cho thấy năng suất trung bình của hệ

trong khoảng từ 46% đến 48% và nồng độ dung dịch loãng từ 36% đến 39%

Trong thời đại vấn đề môi trường đang được sự quan tâm hàng đầu thì việc nghiên cứu ứng dụng máy lạnh hấp thụ ở nước ta là một việc làm cần thiết Việc ứng dụng máy lạnh hấp thụ sẽ giải quyết được vấn đề thiếu điện và vấn đề ô nhiễm môi trường mà nước ta đang phải đối mặt Việt Nam là một nước có nền nông nghiệp phát triển cho nên lượng phụ phẩm nông nghiệp rất lớn, điển hình là trấu Tuy nhiên lượng phụ phẩm nông nghiệp này lại đang thừa một số lượng rất lớn vừa gây lãng phí vừa ảnh hưởng đến môi trường Với mục đích bảo vệ môi trường và đẩy mạnh việc sử dụng các phụ phẩm nông nghiệp, trong nghiên cứu này tác giả sẽ trình bày phương

dụng trấu để sản xuất nước đá cho các tỉnh Đồng Bằng Sông Cửu Long

2 Tổng quát về máy hấp thụ NH 3 -H 2 O

2.1 Sự khác biệt giữa máy lạnh hấp thụ và máy lạnh có máy nén hơi

So với máy lạnh có máy nén hơi thì máy lạnh hấp thụ có 2 khác biệt lớn nhất sau đây:

- Năng lượng cấp vào cho máy lạnh hấp thụ là nhiệt năng, năng lượng cấp vào cho máy lạnh có máy nén hơi là cơ năng

- Môi chất làm việc trong máy lạnh hấp thụ là dung dịch của 2 chất thuần khiết

có nhiệt độ sôi cách biệt nhau lớn ở cùng điều kiện áp suất Môi chất làm việc trong máy lạnh có máy nén hơi thường là 1 chất thuần khiết hoặc hỗn hợp đồng sôi.Môi chất làm việc trong chu trình máy lạnh hấp thụ là một dung dịch, trong đó một chất có nhiệt độ bay hơi thấp gọi là tác nhân lạnh và một chất có nhiệt độ bay hơi cao gọi là

chất hấp thụ Trong thực tế hiện nay các cặp môi chất được sử dụng rộng rãi là NH3

2.2 Dung dịch làm việc

cho nên cặp môi chất này thường được dùng trong kỹ thuật đông lạnh Đối với cặp

sử dụng trong kỹ thuật điều hòa không khí

Hiệu suất của hệ thống MLHT phụ thuộc rất nhiều vào tính chất hóa học và nhiệt động của cặp dung dịch làm việc bên trong Dung dịch làm việc trong MLHT là hỗn hợp của 2 chất thuần khiết khác nhau, có nhiệt độ sôi khá cách biệt ở cùng điều kiện áp suất và không phản ứng hóa học với nhau, không độc hại và không gây nổ Đối với tác nhân lạnh thì phải có ẩn nhiệt hóa hơi lớn Theo định lý Carnot thì hiệu suất của chu trình thuận nghịch không phụ thuộc vào chất môi giới làm việc trong chu trình mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh Tuy nhiên chu trình thực tế không phải là thuận nghịch cho nên hiệu quả của chu trình MLHT phụ thuộc rất nhiều vào chất môi giới trong chu trình

Có nhiều cặp tác nhân có thể sử dụng cho MLHT Theo kết quả của các nhà nghiên cứu trước đây thì có đến 40 loại tác nhân lạnh và 200 loại chất hấp thụ có thể

là môi chất lạnh, chất đứng sau là chất hấp thụ Do tính chất nhiệt động của tác nhân

không khí

Dung dịch làm việc trong MLHT đã được chứng minh là hoàn toàn không gây

nước bay hơi ở nhiệt độ thấp thì áp suất làm việc phải rất thấp Đối cặp dung dịch

môi chất NH3-H2O là hơi NH3 bay ra thường có lẫn theo một ít hơi nước Nhiệt độ

theo hơi nước do nhiệt độ sôi của LiBr và nước rất xa nhau ở cùng điều kiện áp suất

điểm sau đây:

- Áp suất ngưng tụ cao hơn do đó tiêu tốn công bơm lớn hơn

2.3 Ưu điểm của MLHT

- Phương pháp nén tác nhân lạnh: Trong máy lạnh có máy nén hơi tác nhân lạnh được nén từ áp suất thấp lên áp suất cao bằng máy nén Ngoài ra máy nén trong

hệ thống lạnh có máy nén hơi còn có nhiệm vụ tạo ra sự tuần hoàn của tác nhân lạnh trong hệ thống Máy nén làm việc với tác nhân lạnh ở trạng thái hơi mà hơi có thể tích riêng lớn cho nên công tiêu hao cấp vào cho máy nén là rất lớn Một vấn đề khác là kích thước máy nén càng lớn khi công suất càng tăng do đó điện năng tiêu hao cho máy nén cũng sẽ tăng theo Trong MLHT không cần dùng đến máy nén mà chức năng của máy nén được thay thế bằng bình phát sinh, bình hấp thụ và bơm Tác nhân lạnh sau khi bay hơi sẽ được chất hấp thụ

để trở thành trạng thái lỏng để làm giảm thể tích riêng cho nên công cấp vào cho bơm rất nhỏ và không thay đổi nhiều khi năng suất tăng

- Dạng năng lượng sử dụng: Năng lượng sử dụng trong MLHT chủ yếu là năng lượng nhiệt Đây là ưu điểm nổi bật của MLHT so với máy lạnh có máy nén hơi Năng lượng cấp vào cho MLHT có thể là nhiệt thải từ các quy trình công nghệ trong công nghiệp, hơi nước từ các lò hơi, năng lượng mặt trời, khí đốt, nhiên liệu hóa thạch, phụ phẩm nông nghiệp,… Năng lượng sử dụng là năng

lượng nhiệt cho nên góp phần giảm tải cho hệ thống điện và có thể sử dụng được ở những khu vực không có điện lưới quốc gia

- Chi phí vận hành: Máy lạnh có máy nén hơi chỉ vận hành được với điện năng

và nó phụ thuộc nhiều vào điện Hiện nay giá điện là rất đắt đỏ do đó chi phí vận hành cho máy lạnh có máy nén hơi là rất lớn Trong khi đó MLHT chỉ sử dụng một bơm dung dịch nhỏ nên chi phí vận hành cho bơm là rất nhỏ

- Tiếng ồn và rung: Máy nén của máy lạnh có máy nén hơi hoạt động ở tốc độ rất cao cho nên nó cần được bôi trơn và gây ra tiếng ồn MLHT không có bộ phận chuyển động cho nên hoạt động rất êm và không gây ra rung lắc do đó nền móng không đòi hỏi gia cố chống rung

- Bảo dưỡng: máy nén là bộ phận chính của máy lạnh có máy nén hơi và nó có nhiều chi tiết chuyển động Các chi tiết này phải được bôi trơn và kiểm tra thường xuyên để đảm bảo cho máy nén vận hành tốt Máy nén cũng cần được thay thế các chi tiết bên trong khi hoạt động lâu ngày sẽ bị mòn làm hiệu suất nén giảm xuống Trong đó có một số chi tiết rất đắt tiền như suppap hút và đẩy hoặc là môtơ điện Máy nén cũng cần được làm mát cho nên cần phải có thêm bơm nước để làm mát cho máy nén Trong MLHT chi tiết chuyển động duy nhất là bơm dung dịch và rất ít gặp hư hỏng cho nên công tác bảo trì cho MLHT là rất đơn giản

- Điều khiển năng suất: trong máy lạnh có máy nén hơi năng suất của hệ thống

có thể được điều chỉnh theo từng cấp do đó chi phí năng lượng tiêu hao cho máy nén cũng tỷ lệ theo cấp điều chỉnh Trong MLHT việc điều chỉnh năng suất là vô cấp cho nên chi phí tiêu hao năng lượng cho hệ thống đúng với công suất hoạt động

có máy nén hơi sử dụng các tác nhân lạnh CFC và HCFC rất đắt tiền

- Rò rỉ tác nhân: trong MLHT hầu như không có hoặc rất ít xảy ra rò rỉ tác nhân lạnh và nếu có rò rỉ thì chi phí nạp lại cũng không đáng kể Trong khi đó máy lạnh có máy nén hơi rất dễ xảy ra rò rỉ và chi phí nạp lại là rất lớn

- Hiệu ứng nhà kính : Hầu hết các chất làm lạnh được sử dụng trong các hệ thống máy lạnh có máy nén hơi đều gây ra hiệu ứng nhà kính Theo Nghị định thư Montreal, việc sử dụng các tác nhân lạnh gây hiệu ứng nhà kính phải dừng lại hoàn toàn vào năm 2020 Trong hệ thống MLHT không sử dụng tác tạo ra hiệu ứng nhà kính , vì vậy việc sử dụng các tác nhân hiện tại sẽ không bị cản trở trong tương lai

2.4 Nhược điểm của MLHT:

- Kích thước và trọng lượng: MLHT có kích thước và trọng lượng lớn hơn rất nhiều so với hệ thống máy lạnh có máy nén hơi ở cùng công suất

- Hiệu suất thấp hơn: hệ số làm lạnh của MLHT thấp hơn rất nhiều so với máy lạnh có máy nén hơi Hệ số làm lạnh của MLHT double effect H2O-LiBr có hệ

số làm lạnh tối đa khoảng 1,1 trong khi đó máy lạnh có máy nén hơi có hệ số làm lạnh khoảng từ 4-5 khi so sánh ở cùng điều kiện làm việc Tuy nhiên nhìn vào hệ số làm lạnh thì không thể kết luận là MLHT làm việc không hiệu quả bằng máy lạnh có máy nén hơi Bởi vì dạng năng lượng sử dụng là khác nhau

- Giá thành cao hơn: trong MLHT có nhiều thiết bị trao đổi nhiệt và kích thước của các thiết bị lớn nên chi phí sản xuất cho các thiết bị này khá cao

- Khó vận chuyển hơn: vì kích thước hệ thống MLHT rất lớn cho nên việc vận chuyển và lắp đặt sẽ khó khăn hơn rất nhiều và hầu như không thể lắp đặt ở khu vực trên cao

- Ăn mòn hệ thống khi làm việc ở nhiệt độ cao

- Áp suất làm việc thấp: áp suất làm việc trong hệ thống MLHT H2O-LiBr rất thấp cho nên có thể xảy ra hiện tượng không khí bên ngoài xâm nhập vào hệ thống

đây:

bay ra làm cho nồng độ dung dịch chứa trong bình phát sinh giảm xuống ta gọi là

nước bay hơi theo do đó nồng độ của hơi bay ra thường nhỏ hơn 100% Để tách lượng

xem như là hơi tinh khiết đi vào bình ngưng B để thực hiện quá trình ngưng tụ Sau

bởi dung dịch loãng có nồng độ cw đến từ bình phát sinh A Quá trình hấp thụ sẽ phát

C D

được giải nhiệt giống như ở bình ngưng tụ B Sau quá trình hấp thụ ở bình hấp thụ D

trình mới

3 Các kết quả nghiên cứu

3 1 Thống kê lượng phụ phẩm nông nghiệp ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long: Lúa là một trong những cây lương thực chính của thế giới được trồng rộng rãi trên khắp thế giới Ở Việt Nam lúa là cây lương thực chính và được trồng nhiều nhất

là ở đồng bằng sông Cửu Long và đồng Bằng sông Hồng Việt Nam là một trong những nước xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới Trong năm 2011 sản lượng gạo xuất khẩu của Việt Nam đạt 7,105 triệu tấn, với tổng giá trị 3,507 tỉ USD cao nhất từ trước đến nay Sản lượng lúa hàng năm của Việt Nam là 40 triệu tấn riêng ở ĐBSCL sản lượng hàng năm ước đạt hơn 20 triệu tấn chiếm hơn 50% tổng sản lượng lúa cả nước Trấu là vỏ của hạt lúa sau khi đã xay xát, trấu chiếm tỷ lệ từ 20-21% khối lượng của hạt lúa tùy thuộc vào thời vụ và giống lúa Trong vỏ trấu có chứa 75% chất hữu cơ dễ bay hơi khi cháy, 25% còn lại chuyển thành tro Trấu có nhiệt trị trung bình khoảng 13.500kJ/kg và cháy rất tốt Từ rất lâu trấu đã là chất đốt chủ yếu trong các hộ gia đình ở khu vực nông thôn Việt Nam Ngoài ra trấu còn được sử dụng vào rất nhiều mục đích khác nhau như:

- Làm chất đốt trong các lò gạch, lò gốm, lò bánh tráng, lò bún, lò đường

- Dùng để nấu nướng trong các hộ gia đình ở nông thôn

- Trộn với than cám để dùng để nung clinker trong các nhà máy xi măng

Tro trấu cũng có giá trị thương mại cao, nhờ trong tro có chứa gần 90% hàm lượng silic, giá tro trấu hiện nay trên thế giới từ 50 đến 100USD/tấn Tro trấu được sử dụng trong công nghiệp phân bón, thủy tinh, thời trang, xây dựng,…

Ngày nay khi kinh tế phát triển thì việc đốt trấu không còn trở nên thông dụng nữa cộng với năng suất lúa ngày càng tăng làm cho lượng trấu ngày càng dư thừa Nhược điểm lớn nhất của trấu là nhiệt trị riêng là tương đối thấp và khối lượng riêng của trấu nhỏ Cho nên việc đốt trấu xa nguồn cung cấp sẽ không mang lại hiệu quả do chi phí vận chuyển trấu cao Theo khảo sát thì chỉ có khoảng 50% trấu sản xuất ra được sử dụng, phần còn lại không được sử dụng và không có chỗ chứa nên trấu thường được thải bỏ ra các kênh rạch, gây cản trở giao thông đường thủy, ô nhiễm môi trường nước và các hệ sinh thái liên quan đến nguồn nước, ảnh hưởng rất lớn đối với đời sống của người dân miền sông nước

Trấu có nhiệt trị trung bình khoảng 13500kJ/kg (tùy theo độ ẩm và giống lúa giá trị này có thể thay đổi chút ít) Nhiệt trị của trấu chỉ bằng khoảng 1/3 của dầu FO nhưng giá của trấu thì thấp hơn rất nhiều lần so với giá dầu (khoảng trên 50 lần) Khi thế giới đang đối đầu với cuộc khủng hoảng năng lượng thì ở Việt Nam đang xảy ra tình trạng lãng phí vô cùng lớn Ước tính riêng ở ĐBSCL thì hàng năm lượng trấu sản xuất ra tương đương với năng lượng của 1,33 triệu tấn dầu FO, một con số không nhỏ Sau đây là kết quả thống kê diện tích canh tác lúa và sản lượng lúa ở 13 tỉnh đồng bằng Sông Cửu Long trong 5 năm từ năm 2006 đến 2011

Bảng 1: Diện tích canh tác hàng năm ở đồng bằng Sông Cửu Long (Nguồn Bộ NN và PTNN [8])

Hình 2: Sản lượng lúa và trấu trung bình hàng năm ở ĐBSCL

Trên hình 2 ta nhận thấy rằng sản lượng lúa hàng năm ở khu vực ĐBSCL tăng dần theo từng năm Trong năm 2009 sản lượng có giảm xuống nhưng không đáng kể Tính trung bình trong 6 năm gần đây thì sản lượng lúa hằng năm ở ĐBSCL là hơn 20 triệu tấn Với khối lượng trấu chiếm 20% khối lượng [3] thì sản lượng trấu trung bình hằng năm là trên 4 triệu tấn Với nhiệt trị riêng trung bình của trấu là từ 13500 đến 14000kJ/kg thì tổng năng lượng hằng năm thu được từ trấu tương đương với hơn 1,33

triệu tấn dầu FO

Khảo sát của Viện Nghiên cứu Phát triển ĐBSCL tại 108 nhà máy xay xát lúa (được chọn ngẫu nhiên) thuộc TP Cần Thơ và các tỉnh An Giang, Kiên Giang, Hậu Giang, Sóc Trăng cho thấy, có khoảng 50% trấu tại các nhà máy xay xát được bán làm chất đốt trong dân dụng và làm phân bón [4], phần còn lại không được sử dụng và không có chỗ chứa nên trấu thường được thải bỏ ra các kênh rạch, gây cản trở giao thông đường thủy, ô nhiễm môi trường nước và các hệ sinh thái liên quan đến nguồn nước, ảnh hưởng rất lớn đối với đời sống của người dân Trong khi lưới điện nước ta đang phải gồng gánh một phụ tải rất lớn thì chúng ta lại đang dư thừa và phải thải bỏ một lượng lớn nhiên liệu vừa gây lãng phí vừa gây ô nhiễm môi trường Do đó cần phải có những chính sách khuyến khích sử dụng trấu để tránh tình trạng như hiện nay

3 2 Xác định nhiệt trị của trấu

Bằng cách sử dụng bom nhiệt trị (calorimeter) nhiệt trị riêng của trấu có thể được xác định và được trình bày trong bảng dưới đây

Bảng 3: Nhiệt trị riêng của trấu (Đo bằng bom nhiệt trị IKA – PTN Nhiệt động và truyền nhiệt)

3 3 Lập sơ đồ các phương án và phân tích lựa chọn phương án thiết kế

Dung dịch đậm đặc NH3-H2O trong bình phát sinh A được cấp nhiệt, NH3 có

thành trạng thái lỏng sôi và chứa trong bình chứa C và áp suất dung dịch trong bình phát sinh sẽ không tăng Trong giai đoạn phát sinh thì nhiệt độ dung dịch tăng dần và nồng độ dung dịch giảm dần Khi nồng độ dung dịch đạt đến nồng độ dung dịch loãng thì quá trình phát sinh kết thúc Khóa van 1và 2 lại

Giai đoạn hấp thụ:

Sau khi giai đoạn phát sinh kết thúc thì ngừng cấp nhiệt cho bình phát sinh A Lúc này bình phát sinh cũng là bình hấp thụ Tuy nhiên nhiệt độ dung dịch trong bình hấp thụ lúc này còn cao cho nên quá trình hấp thụ không thực hiện được Để quá trình hấp thụ có thể diễn ra được thì dung dịch trong bình hấp thụ phải nhỏ hơn áp suất bay hơi trong bể đá D Do đó dung dịch trong bình hấp thụ phải được làm mát xuống nhiệt

độ môi trường Sau khi dung dịch trong bình hấp thụ đạt đến nhiệt độ môi trường thì

dịch loãng và bị hấp thụ để trở thành dung dịch đậm đặc Quá trình này sẽ nhả nhiệt cho nên nhiệt độ dung dịch trong bình hấp thụ tăng lên, cho nên cần phải giải nhiệt cho dung dịch Nếu không làm mát dung dịch thì áp suất dung dịch trong bình hấp thụ

Ưu điểm:

- Cấu tạo đơn giản

- Tiết kiệm chi phí do không có thêm bình hấp thụ

Nhược điểm:

- Vận hành khó khăn do bình phát sinh và bình hấp thụ là 1 thiết bị mà chức năng của bình phát sinh và hấp thụ là trái ngược với nhau nên quá trình vận hành sẽ rất khó khăn

- Bình phát sinh làm việc ở áp suất và nhiệt độ cao, nếu kết hợp với bình hấp thụ

sẽ gây nguy hiểm hơn

- Tháp đá phải đặt cao hơn bình phát sinh và hấp thụ nên việc thao tác làm đá cũng rất khó khăn

- Thời gian làm việc dài hơn do phải làm lạnh dung dịch sau khi quá trình phát sinh kết thúc

Phương án 2: Tách riêng bình phát sinh và bình hấp thụ

Nguyên lý làm việc:

Giai đoạn phát sinh: Trước khi cấp nhiệt cho bình phát sinh các van 3,4,5,6,7,8

phát sinh được cấp nhiệt đẳng tích đến áp suất ngưng tụ Tiếp tục cấp nhiệt đẳng áp cho dung dịch cho đến khi nồng độ dung dịch chứa trong bình phát sinh đạt đến nồng

qua tháp chưng cất sau đó đi vào bình ngưng tụ nhờ nước giải nhiệt và ngưng tụ lại trong bình chứa

Giai đoạn hấp thụ: Trước khi diễn ra quá trình hấp thụ dung dịch loãng từ bình phát sinh được đưa về bình hấp thụ bằng cách mở các van 6, 7, 8 và 9 Sau đó đóng

dịch loãng bị dung dịch loãng hấp thụ và trở thành dung dịch đậm đặc Sau khi quá

trình hấp thụ kết thúc đóng các van 3, 4 và 5 lại rồi nâng bình hấp thụ lên cao hơn bình phát sinh rồi mở các van 6, 7, 8 và 9 ra để dung dịch đậm đặc chảy về bình phát sinh Sau đó hạ bình hấp thụ trở lại vị trí cũ

- Vận hành dễ dàng hơn, trong chu trình này bình phát sinh và tháp đá có thể đặt ngang hàng với nhau còn bình hấp thụ có thể nằm dưới tháp đá Các thiết bị này được nối với nhau bằng ống mềm Sau khi quá trình hấp thụ kết thúc thì bình hấp thụ được nâng lên cao hơn so với bình phát sinh để dung dịch từ bình hấp thụ chảy về bình phát sinh Áp suất làm việc trong bình hấp thụ là tương đối thấp cho nên công việc này không gây nguy hiểm cho người vận hành Nhược điểm:

- Cấu tạo phức tạp hơn do có thêm bình hấp thụ và cơ cấu nâng cho bình hấp thụ

- Chi phí đầu tư cao hơn

Lựa chọn phương án:

Qua việc phân tích ưu nhược điểm của 2 phương án nêu trên cộng với kinh nghiệm thực tiễn khi thực hiện chu trình máy lạnh hấp thụ gián đoạn loại kết hợp bằng năng lượng mặt trời trước đây tác giả nhận thấy rằng chu trình kết hợp rất khó vận hành và nguy cơ dung dịch từ bình hấp thụ bị đẩy về tháp đá là rất cao Đây là vấn đề rất khó khăn trong việc vận hành máy lạnh hấp thụ Mục đích của đề tài là ứng dụng cho khu vực đồng bằng Sông Cửu Long nên đòi hỏi việc vận hành phải dễ dàng và vấn đề an toàn là hàng đầu Cho nên tác giả lựa chọn phương án 2 là chu trình tách riêng bình phát sinh và hấp thụ

Hình 5: Đồ thị i-c biểu diễn chu trình máy lạnh hấp thụ NH3-H2O loại gián đoạn

4 Tính toán chu trình thiết bị lạnh:

Hệ thống gồm các thiết bị chính sau:

bay hơi Bình phát sinh được chế tạo từ vật liệu thép đen do dung dịch làm việc

bình phát sinh Để giảm áp suất ngưng tụ (giảm nhiệt độ bay hơi của dung

Kết cấu của bình ngưng tụ là dạng vỏ bọc chùm ống

chứa để tránh ngập lỏng bình ngưng làm giảm hiệu suất ngưng tụ Bình chứa

xuất khối lượng nước đá yêu cầu và chịu được áp suất ngưng tụ Tuy nhiên

6 7

6'

p 6' 1

q0 qK

thép Ngoài van tiết lưu trong mô hình này còn dùng đến 4 van chặn được đặt tại những vị trí trên hình vẽ

được chứa trong bình chứa có áp suất cao đi qua van tiết lưu vào dàn lạnh nhận nhiệt từ nước cần làm đá và bay hơi và quay trở về bình phát sinh Để tăng cường khả năng trao đổi nhiệt giữa tác nhân lạnh và nước đá thì nước làm đá được ngâm trong dung dịch nước muối với nồng độ nhất định

- Bình hấp thụ: là thiết bị dùng để làm cho dung dịch loãng trở thành dung dịch đậm đặc trước khi bắt đầu chu trình mới Dung dịch loãng từ bình phát sinh trở

a Chọn các thông số thiết kế

- Khối lượng nước đá sản xuất trong 1 mẻ :200kg

- Chất hấp thụ là nước

- Nhiệt độ trung bình của nước:

- Thời gian làm đá là 8 giờ

b Xác định năng suất lạnh

Nhiệt lượng cần lấy đi từ nước để biến nó thành đá là:

r.m)tt

m là khối lượng đá cần sản xuất, m=200kg

C=2,1kJ/kgK đối với nước đá

Vậy nhiệt lượng cần lấy đi từ nước để sản xuất 200kg đá là:

Q0= 97996,8kJ

Nhiệt lượng để làm lạnh nước muối

Trong đó:

tinh khiết và tổn thất tại thiết bị làm đá

d Xác định áp suất bay hơi

e Xác định nồng độ dung dịch đậm đặc và nồng độ dung dịch loãng

Nồng độ dung dịch đậm đặc phụ thuộc vào áp suất bay hơi và điều kiện giải nhiệt trong bình hấp thụ Nhiệt độ nước giải nhiệt càng thấp thì nồng độ dung dịch đậm đặc càng cao và ngược lại Nồng độ dung dịch đậm đặc cao thì quá trình phát sinh diễn ra dễ dàng hơn nhưng quá trình hấp thụ lại khó khăn

Nồng độ dung dịch loãng phụ thuộc vào nguồn nhiệt cấp vào cho bình phát sinh và áp suất ngưng tụ Nhiệt độ nguồn nhiệt càng cao thì nồng độ dung dịch loãng càng thấp và ngược lại Tuy nhiên nếu nhiệt độ nguồn nhiệt quá cao có thể làm cho

Nhiệt độ dung dịch trong bình phát sinh là tG=1200C và áp suất ngưng tụ là

f Xác định entanpi tại các điểm trên chu trình

Bảng 4: Thông số của dung dịch và hơi tại các điểm trên chu trình

Q

18 , 1129

130000

0

0

h Xác định phụ tải nhiệt ngưng tụ

Năng suất giải nhiệt ở thiết bị ngưng tụ

nước giải nhiệt cho bình ngưng là:

0,5795kg/l

Vậy thể tích của bình chứa là: 0,198m3

Chọn thể tích bình là 220 lít

j Xác định khối lượng dung dịch chứa trong bình phát sinh

khối lượng dung dịch là:

−

=

= +

=

3036 , 0 13 , 115

13 , 115

4044 , 0

2 3

3

2 3

3

O H NH

NH

w

O H NH

, 0 13

2 3 3

O H NH NH

O H NH NH

m m m

m m m

gần bằng với nồng độ dung dịch đậm đặc, có nhiệt độ bằng với nhiệt độ bão hòa ở áp suất ngưng tụ Ta xác định được khối lượng riêng của dung dịch chứa trong bình phát

Thể tích của dung dịch chứa trong bình phát sinh

Quá trình phát sinh được chia làm 2 giai đoạn giai đoạn cấp nhiệt đẳng tích từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 và quá trình cấp nhiệt đẳng áp từ trạng thái 2 đến trạng thái 3

Tổng nhiệt lượng cấp vào cho bình phát sinh

544094

cho bình kim loại nóng lên và nhiệt lượng để cấp cho dung dịch từ tháp tinh luyện trở

về bình phát sinh và nhiệt lượng tổn thất ra môi trường)

Lượng tiêu hao nhiên liệu cho bình phát sinh: Chọn nhiệt trị trung bình của trấu

nước giải nhiệt cho bình ngưng là:

5 Chương trình mô phỏng

Chương trình mô phỏng quá trình làm việc của hệ thống máy lạnh hấp thụ loại gián đoạn được thực hiện bằng phần mềm Visual Basic Dựa trên chương trình mô phỏng chúng ta có thể khảo sát được các diễn biến xảy ra trong hệ thống, từ đó có thể xác được các thông số làm việc của hệ thống như: nồng độ dung dịch đậm đặc, nồng

độ dung dịch loãng, áp suất bay hơi, áp suất ngưng tụ, sự thay đổi nồng độ và áp suất của dung dịch trong bình phát sinh, hấp thụ,… Với năng suất hệ thống là 1000kg đá/mẻ và các thông số đầu vào chương trình mô phỏng đã cho những kết quả được trình bày sau đây

Kết quả mô phỏng

5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch đến áp suất và nồng độ dung dịch trong bình phát sinh

Trên hình 6 ta nhận thấy rằng sự thay đổi nồng độ dung dịch và áp suất dung dịch trong bình phát sinh được chia làm 2 giai đoạn Giai đoạn 1: nồng độ dung dịch thay đổi rất ít nhưng áp suất dung dịch thay đổi rất nhiều Giai đoạn này là giai đoạn cấp nhiệt đẳng tích cho dung dịch trong bình phát sinh từ trạng thái ban đầu đến áp

bằng với dung dịch loãng Kết quả chương trình mô phỏng cho thấy sự thay đổi nồng

độ của dung dịch trong giai đoạn này 0,005% Sự thay đổi này phụ thuộc vào thể tích bay hơi trong bình phát sinh và ngưng tụ nhưng với kết quả của chương trình mô phỏng thì sự thay đổi này là không đáng kể Giai đoạn 2: khi dung dịch đạt đến áp suất ngưng tụ thì áp suất dung dịch sẽ cố định khi nhiệt độ dung dịch tăng lên nhưng

nồng độ dung dịch giảm xuống rất nhanh Giai đoạn này là giai đoạn cấp nhiệt đẳng

áp cho dung dịch trong bình phát sinh

Hình 6: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nồng độ dung dịch và áp suất dung dịch theo

nhiệt độ trong bình phát sinh

từ bình phát sinh được ngưng tụ trong bình ngưng tụ cho nên nồng độ dung dịch giảm xuống nhanh

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0 10 20 30 40 50