Nghiên cứu xây dựng thuật toán và lập trình tính toán mô phỏng máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời và nhiệt thải

Máy lạnh này được sử dụng ở những nơi có nguồn nhiệt năng cao và thường là nguồn năng lượng tận dụng, năng lượng dư thừa, năng lượng thải, thứ cấp, rẻ tiền cụ thể như: nước nóng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LÊ KHẮC QUYẾT

NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG MÁY LẠNH HẤP THỤ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI VÀ NHIỆT THẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT NHIỆT

Hà Nội - 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LÊ KHẮC QUYẾT

NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG MÁY LẠNH HẤP THỤ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI VÀ NHIỆT THẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS ĐẶNG TRẦN THỌ

Hà Nội - 2017

LỜI CẢM ƠN

Bản luận văn này được thực hiện trong thời gian từ tháng 10/2014 đến tháng 12/2017, 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

Lê Khắc Quyết

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả nghiên cứu của tôi

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

Lê Khắc Quyết

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT i

DANH MỤC CÁC BẢNG ii

DANH MỤC CÁC HÌNH iii

MỞ ĐẦU v

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 MÁY LẠNH HẤP THỤ 1

1.1.1 Lịch sử phát triển 1

1.1.2 Khái niệm, nguyên lý làm việc 1

1.1.3 Phân loại máy lạnh hấp thụ 3

1.1.4 Các đặc trưng cơ bản 14

1.1.5 Ưu, nhược điểm 20

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ MÁY LẠNH HẤP THỤ 20

1.2.1 Các công trình ở Việt Nam 20

1.2.2 Các công trình trên thế giới 21

1.3 ĐỐI TƯỢNG, MỤC ĐÍCH VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI22 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 22

1.3.2 Mục đích và phạm vi nghiên cứu 24

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÁY LẠNH HẤP THỤ 25

2.1 TÍNH TOÁN CHU TRÌNH 25

2.1.1 Lựa chọn các thông số ban đầu 25

2.1.2 Xác định các thông số trạng thái của chu trình 25

2.2 XÁC ĐỊNH PHỤ TẢI NHIỆT CỦA THIẾT BỊ 34

2.2.1 Tính toán các dòng nhiệt 34

2.2.2 Tính toán các dòng dung dịch 35

2.2.3 Tính toán các phụ tải nhiệt của thiết bị 35

2.3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG 36

2.3.1 Tính chọn bơm dung dịch 36

2.3.2 Tính toán, thiết kế thiết bị ngưng tụ 36

2.3.3 Tính toán, thiết kế thiết bị bay hơi 39

2.3.4 Tính toán, thiết kế bình hấp thụ 40

2.3.5 Tính toán, thiết kế bình sinh hơi 45

2.3.6 Tính toán, thiết kế thiết bị tinh luyện 47

2.3.7 Tính toán, thiết kế thiết bị hồi nhiệt môi chất và hồi nhiệt dung dịch 48

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 52

3.1 XÂY DỰNG LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 52

3.1.1 Lưu đồ thuật toán tổng quát 52

3.1.2 Lưu đồ thuật toán chọn thông số đầu vào 53

3.1.3 Lưu đồ thuật toán tính toán chu trình 53

3.1.4 Lưu đồ thuật toán tính toán thiết kế thiết bị 61

3.1.5 Lưu đồ thuật toán mô phỏng hoạt động 62

3.2 LỰA CHỌN NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH 63

3.2.1 Các vấn đề cần giải quyết đối với chương trình 63

3.2.2 Lựa chọn ngôn ngữ lập trình 64

CHƯƠNG 4 LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG MÁY LẠNH HẤP THỤ 67

4.1 LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG 67

4.1.1 Lập trình tính toán chu trình 67

4.1.2 Lập trình tính toán, thiết kế các thiết bị 68

4.1.3 Lập trình mô phỏng 71

4.2 TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG MÁY LẠNH HẤP THỤ 72

4.2.1 Tính toán máy lạnh hấp thụ 72

4.2.2 Tính toán mô phỏng 78

4.2.3 Đánh giá kết quả tính toán bằng phần mềm 80

CHƯƠNG 5 TÓM TẮT, KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83

5.1 TÓM TẮT 83

5.2 KẾT LUẬN 84

5.3 KIẾN NGHỊ 84

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

PHỤ LỤC 88

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)

H: Nước gia nhiệt m: Chất lỏng tải lạnh 1: Vào

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

III Danh mục chữ cái viết tắt

MLHT: Máy lạnh hấp thụ BL: Buồng lạnh

TL: Tiết lưu SH: Sinh hơi HT: Hấp thụ

ii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Cặp môi chất sử dụng trong máy lạnh hấp thụ 15

Bảng 1.2 Một số loại nhiệt thải và mức nhiệt độ tương ứng 17

Bảng 1.3 Một số kim loại sử dụng trong kỹ thuật lạnh 18

Bảng 4.1 Kết quả tính toán chu trình 72

Bảng 4.2 Kết quả tính toán phụ tải lạnh 76

Bảng 4.3 So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm 79

iii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ 2

Hình 1.2a Sơ đồ máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr tác dụng đơn bố trí trong hai vỏ 4

Hình 1.2b Sơ đồ máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr tác dụng đơn bố trí trong một vỏ 6 Hình 1.3 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr tác dụng kép loại 1 7

Hình 1.4 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr tác dụng kép loại 2 8

Hình 1.5 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr tác dụng kép loại 3 9

Hình 1.6 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ NH3/H2O một cấp 10

Hình 1.7 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ NH3/H2O hai cấp 11

Hình 1.8 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ khuếch tán 13

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ NH3/H2O 23

Hình 2.1 Thiết bị hồi nhiệt môi chất lạnh (HNI) 49

Hình 2.2 Thiết bị hồi nhiệt dung dịch kiểu ống lồng ống (HNII) 49

Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán tổng quát 52

Hình 3.2 Lưu đồ thuật toán tính toán thông số đầu vào 53

Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán xác định thông số trạng thái điểm nút 10 54

Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán xác định thông số trạng thái điểm nút 7 54

Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán xác định thông số trạng thái điểm nút 2 55

Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán xác định thông số trạng thái điểm nút 5 55

Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán xác định thông số trạng thái điểm nút 6 56

Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán xác định thông số trạng thái điểm nút 3 56

Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán xác định thông số trạng thái điểm nút 4 57

Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán xác định thông số trạng thái điểm nút 11 57

Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán xác định thông số trạng thái điểm nút 14 58

Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán xác định thông số trạng thái điểm nút 15 58

Hình 3.13 Lưu đồ thuật toán xác định thông số trạng thái điểm nút 1 59

Hình 3.14 Lưu đồ thuật toán xác định thông số trạng thái điểm nút 12 59

Hình 3.15 Lưu đồ thuật toán xác định thông số trạng thái điểm nút 8 60

Hình 3.16 Lưu đồ thuật toán xác định thông số trạng thái điểm nút 13 60

iv

Hình 3.17 Lưu đồ thuật toán xác định thông số trạng thái điểm nút 9 61

Hình 3.18 Lưu đồ thuật toán tính toán chọn công suất bơm dung dịch 61

Hình 3.19 Lưu đồ thuật toán tính toán thiết kế thiết bị MLHT 62

Hình 3.20 Lưu đồ thuật toán tính toán mô phỏng hoạt động 62

Hình 3.21 Lưu đồ thuật toán tính toán đánh giá khả năng hoạt động của MLHT 63 Hình 3.22 Lưu đồ thuật toán tính toán hệ số nhiệt của chu trình 63

Hình 4.1 Giao diện chính của phần mềm 67

Hình 4.2 Giao diện tính toán chu trình MLHT 68

Hình 4.3 Giao diện tính toán lựa chọn bơm 69

Hình 4.4 Giao diện tính toán thiết kế thiết bị ngưng tụ 69

Hình 4.5 Giao diện tính toán thiết kế thiết bị bay hơi 70

Hình 4.6 Giao diện tính toán thiết kế thiết bị hấp thụ 70

Hình 4.7 Giao diện tính toán thiết kế bình sinh hơi – thiết bị ngưng tụ hồi lưu 71

Hình 4.8 Mô phỏng hoạt động của MLHT 71

Hình 4.9 Biểu đồ mô phỏng các giá trị nhiệt độ 78

Hình 4.10 Biến thiên nhiệt độ gia nhiệt theo thực nghiệm và mô phỏng 81

Hình 4.11 Biến thiên nhiệt độ sinh hơi theo thực nghiệm và mô phỏng 81

Hình 4.12 Biến thiên nhiệt ngưng tụ theo thực nghiệm và mô phỏng 82

Hình 4.13 Biến thiên nhiệt độ bay hơi theo thực nghiệm và mô phỏng 82

v

MỞ ĐẦU

Ngành lạnh là một trong các ngành có các thiết bị tiêu thụ năng lượng lớn, chủ yếu là năng lượng điện, đặc biệt nhu cầu sử dụng lạnh hiện nay luôn gắn liền với các ngành chế biến thực phẩm, công nghiệp nhẹ và đánh bắt thủy hải sản Vấn đề đặt ra

là 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, tổ chức chính phủ đầu

tư nghiên cứu

Một trong những hướng nghiên cứu ưu tiên hiện nay 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 85 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 sử dụng MLHT để tận dụng luôn được ưu tiên hàng đầu do có triển vọng cao

Để thuận tiện cho công tác nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng đưa MLHT vào đời sống thì cần thêm các công cụ hỗ trợ trong việc tính toán cũng như chế tạo Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin hiện nay, việc xây dựng phần mềm tính toán,

mô phỏng MLHT sẽ rất hữu ích trong việc nghiên cứu chế tạo MLHT Sử dụng phần mềm tính toán, mô phỏng MLHT giúp cho các nhà khoa học, nhà nghiên cứu rút ngắn thời gian tính toán thiết kế và tính toán kiểm tra thiết bị MLHT Vì vậy, việc nghiên cứu đưa ra thuật toán và lập trình phần mềm tính toán, mô phỏng MLHT là thiết thực Với cơ sở trên, tác giả của luận văn đã tập trung nghiên cứu thuật toán, lập trình phần mềm tính toán và mô phỏng hoạt động của MLHT Phần mềm đã được xây dựng hoàn thiện, kết quả tính toán và mô phỏng đã được kiểm chứng với một số kết quả nghiên cứu về MLHT đã được công bố Qua kết quả tính toán, mô phỏng cho thấy phần mềm hoạt động ổn định, chính xác, các kết quả tính toán phù hợp với mô hình thực 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 MÁY LẠNH HẤP THỤ

1.1.1 Lịch sử phát triển

Máy lạnh hấp thụ giữ một vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật lạnh Máy lạnh hấp thụ Chu kì H2O/H2SO4 do Lesdi phát minh năm 1810, và máy lạnh hấp thụ liên tục NH3/H2O do Carre’ phát minh năm 1850 Với chặng đường phát triển hơn 200 năm, ngày nay các loại máy lạnh khác nhau đã được hoàn chỉnh và sử dụng có hiệu quả ở nhiều nước trên thế giới nhất là ở Mỹ, Nhật, Liên Xô (cũ)

1.1.2 Khái niệm, nguyên lý làm việc

1.1.2.1 Khái niệm

Máy lạnh hấp thụ là loại máy lạnh sử dụng “máy nén nhiệt” Cụm “máy nén nhiệt” bao gồm: thiết bị hấp thụ, bơm dung dịch, bình sinh hơi và van tiết lưu dung dịch Máy lạnh này được sử dụng ở những nơi có nguồn nhiệt năng cao và thường là nguồn năng lượng tận dụng, năng lượng dư thừa, năng lượng thải, thứ cấp, rẻ tiền cụ thể như: nước nóng, hơi nóng, năng lượng mặt trời, 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

- 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 về bình hấp thụ để kết hợp với dung dịch loãng ở bình hấp thụ (HT) của máy nén nhiệt

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

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

1.1.3 Phân loại máy lạnh hấp thụ

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 (H2O/LiBr)

Máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong kỹ thuật điều hòa không khí, nhiệt độ sôi khoảng 7oC Trong đó, nước là môi chất lạnh và bromualiti là chất hấp thụ Loại máy lạnh này 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

- Nhược điểm:

4

+ 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 1.2a

Trong sơ đồ trên bình (1) có áp suất ngưng tụ, nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ gia

Chất tải lạnh

Nước làm mát

5

Hình 1.2a Sơ đồ máy lạnh hấp thụ H 2 O/LiBr tác dụng đơn bố trí

trong hai 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

5

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 đã cách nhiệt lý tưởng

Nguồn nhiệt (hơi nước, khí thải có nhiệt độ ≥ 80 oC) thông qua thiết bị trao đổi nhiệt gia nhiệt cho dung dịch H2O/LiBr đậm đặc trong bình sinh hơi

Môi chất lạnh là hơi nước sinh ra bay lên dàn ngưng tụ ở phía trên, thải nhiệt cho nước làm mát và ngưng tụ lại còn dung dịch lúc này trở thành dung dịch loãng 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 có nhiệt độ cao gia nhiệt cho dung dịch đậm đặc có nhiệt độ thấp trước khi vào bình sinh hơi

Ngoài ra để tăng hệ số trao đổi nhiệt tại dàn bay hơi, người ta thiết kế bộ phận thu hồi nước ngưng chảy từ dàn ngưng tụ về qua xi phông 4 rồi dùng bơm tưới đều lên thiết bị trao đổi nhiệt với chất tải lạnh (dạng ống xoắn) Nước làm mát tại bộ phận hấp thụ và bộ phận ngưng tụ có nhiệt độ khác nhau do đó người ta bố trí nhánh phụ của đường tuần hoàn nước làm mát để cân bằng nhiệt độ

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 chân không cao) Ngoài ra cần bố trí thêm bơm chân không để loại trừ khí trơ, không khí nhằm duy trì độ chân không cao

Năng suất lạnh của máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr có thể điều chỉnh dễ dàng Có thể giảm tới 10% năng suất lạnh tối đa bằng cách điều chỉnh nguồn nhiệt cấp vào bình

6

sinh hơi và nguồn nước làm mát hoặc trích một phần dung dịch đậm đặc lẽ ra phải vào bình sinh hơi quay trở về bình hấp thụ (để làm tăng nhiệt độ dung dịch ở bình hấp thụ) Có thể kết hợp cả hai phương pháp trên

Hình 1.2b 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 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:

Nước làm mát

Nước làm mát

Chất tải lạnh

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

7

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 1.3) 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

B dd

Nước làm mát Chất tải lạnh

Hình 1.3 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;

8

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

Loại thứ hai (hình 1.4) 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:

+ 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

Hình 1.4 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;

Nước làm mát

- Loại 3 (hình 1.5) 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 dịch đậm đặc từ bình HT và dòng dung dịch loãng từ bình SH Như vậy, dung dịch đậm đặc được gia nhiệt thêm khi qua HN2

+ Về áp suất cũng giống như các sơ đồ trên Tuy nhiên, do có sự hòa trộn giữa 2 dòng dung loãng đặc từ bình SH (áp suất pk) và dung dịch đậm đặc từ bình TG (áp suất ptg) cho nên phải có chế độ giảm áp để có thể hòa trộn Sau đó giảm áp tiếp tới po

Hình 1.5 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;

10

b Máy lạnh hấp thụ Amoniac/Nước (NH3/H2O)

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:

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

Hình 1.6 biểu diễn sơ đồ nguyên lý của máy lạnh hấp thụ NH3/H2O liên tục 1 cấp 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 NH3 qua 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

HN2

QD

Chất tải lạnh

3

Hình 1.6 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O một cấp

HN1

11

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 có tỉ số nén 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 1.7 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ NH3/H2O hai cấp

Hình 1.7 là sơ đồ máy lạnh hấp thụ NH3/H2O hai cấp Chu trình gồm hai bình sinh

12

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

Trường hợp có 1 chế độ bay hơi thì hơi môi chất ra khỏi dàn ngưng tụ sẽ đi thẳng tới HN1 qua TL2 rồi về bình bay hơi

Trường hợp có 2 chế độ bay hơi thì cần hai van tiết lưu Đầu tiên môi chất loãng qua van tiết lưu TL1 vào bình trung gian có áp suất trung gian ptg Từ đây một phần lỏng bay hơi ở bình trung gian với nhiệt độ cao đi thẳng tới bình hấp thụ cao áp HTC Phần lỏng còn lại qua HN1 và TL2 rồi về bình bay hơi

Ngoài ra, người ta còn tách một 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

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 chênh lệch cột lỏng và khối lượng riêng)

13

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 1.8 mô tả sơ đồ nguyên lý của máy lạnh hấp thụ khuếch tán

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 NH3 càng

14

nhẹ Dòng hỗn hợp chuyển động dần lên đỉnh dàn hấp thụ Khi hết hơi NH3 hydro 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

1.1.4 Các đặc trưng cơ bản

1.1.4.1 Môi chất làm lạnh

Ngoài môi chất lạnh, máy lạnh hấp thụ còn sử dụng thêm một môi chất hấp thụ nữa, gọi chung là cặp môi chất lạnh Yêu cầu đối với cặp môi chất lạnh trong máy lạnh hấp thụ cũng giống như đối với các môi chất lạnh khác là có tính chất nhiệt động tốt, không độc hại, khó cháy, khó nổ, không ăn mòn đối với vật liệu chế tạo máy, phải

rẽ tiền, dễ kiếm Ngoài ra cặp môi chất lạnh cần phải:

- Hòa tan hoàn toàn vào nhau nhưng nhiệt độ sôi ở cùng điều kiện áp suất càng xa nhau càng tốt, để hơi môi chất lạnh sinh ra ở bình sinh hơi không lẫn chất hấp thu

- Nhiệt dung riêng của dung dịch phải bé, đặc biệt đối với máy lạnh hấp thụ chu

kỳ để tổn thất nhiệt khởi động máy nhỏ

Máy lạnh hấp thụ sử dụng phổ biến hai loại cặp môi chất lạnh là NH3/ H2O và H2O/ LiBr Hiện nay, có một số công trình đã công bố dùng các chất hấp thụ rắn trong máy lạnh hấp thụ chu kỳ như CaCl2, zeôlit, cacbon hoạt tính nhưng vẫn chưa được

sử dụng phổ biến vì tuy chúng có ưu điểm là không cần thiết bị tinh cất, nhưng do có các nhược điểm như làm giảm hệ số dẫn nhiệt, sự giãn nỡ thể tích quá mức (gấp 10 lần) và tỏa ra nhiệt lượng rất lớn trong quá trình hấp thụ dẫn đến làm giảm đáng kể hệ số hữu ích của thiết bị

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

14 H2O/(LiBr+ZnBr2+CaBr2) H2O (LiBr+ZnBr2+CaBr2)

19 H2O/(LiCl+CaCl2+Ca(NO3)2) H2O (LiCl+CaCl2+Ca(NO3)2)

1.1.4.2 Năng lượng sử dụng

Nhiệt năng là điều kiện cần cho MLHT làm việc Chất lượng nguồn nhiệt quyết

16

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 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

b Năng lượng từ các nguồn nhiệt thải, tận dụng

Các nguồn nhiệt thải và mức nhiệt độ tương ứng được trình bày trong bảng 1.2dưới đây

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

17

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

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 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

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 mòn thì ta có thể sử dụng trực tiếp Thông thường người ta thường sử dụng gián tiếp các nguồn nhiệt thải qua trung gian là bộ trao đổi nhiệt

18

Thông số quan trọng nhất cần tìm hiểu khi sử dụng nhiệt thải là nhiệt độ của nguồn nhiệt, từ đó xác định phương án tận dụng Tùy theo mức độ nhiệt độ, người ta chia các nguồn nhiệt thải ra làm ba loại:

+ Loại nhiệt thế cao

+ Loại nhiệt thế trung bình

+ Loại nhiệt thế thấp

1.1.4.3 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

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

Đồng và các

hợp kim của

đồng

Đường ống, các thiết bị chính

và phụ, các đệm kín, ổ bạc,

cơ, ổ đỡ, đệm kín

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, Dùng để chế tạo vỏ, các chi Sử dụng cho tất cả các môi chất lạnh

19

Inox tiết, đường ống trong hệ

thống lạnh khi có yêu cầu về

ăn mòn và vệ sinh thực phẩm 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

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

- 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

Theo như bảng 1.3 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

Môi chất NH3 và các môi chất vô cơ khác hầu như không tác động và ăn mòn các

20

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

1.1.5 Ưu, nhược điểm

Ưu điểm lớn nhất của máy lạnh hấp thụ là sử dụng chủ yếu nguồn nhiệt năng có nhiệt độ không cao (85 đến1500C) để hoạt động Chính vì thế, máy lạnh hấp thụ góp phần vào việc sử dụng hợp lý các nguồn năng lượng khác nhau: năng lượng nhiệt từ mặt trời; tận dụng nhiệt năng thừa, phế thải; nhiệt năng thứ cấp, rẻ tiền như khói thải, hơi trích

Ưu điểm tiếp theo của máy lạnh hấp thụ là có rất ít chi tiết chuyển động, kết cấu chủ yếu là các thiết bị trao đổi nhiệt và trao đổi chất, bộ phận chuyển động duy nhất

là bơm dung dịch Vì vậy, máy lạnh hấp thụ vận hành đơn giản, độ tin cậy cao, máy làm việc ít ồn và rung Trong vòng tuần hoàn hoàn môi chất, không có dầu bôi trơn nên bề mặt các thiết bị trao đổi nhiệt không bị bám dầu làm nhiệt trở tăng như trong máy lạnh nén hơi

Ngoài ra, hiện nay, khi tình trạng phá hủy tầng Ôzôn do các chất frêon gây ra, việc tìm các môi chất lạnh khác thay thế đang còn rất khó khăn thì việc dùng máy lạnh hấp thụ thay thế máy lạnh nén hơi trong lĩnh vực điều hòa không khí có ý nghĩa rất lớn

MLHT cũng có nhược điểm là giá thành hiện nay còn rất đắt, cồng kềnh, diện tích lắp đặt lớn hơn so với máy lạnh nén hơi Lượng nước làm mát tiêu thụ cũng lớn hơn vì phải làm mát thêm bình hấp thụ Thời gian khởi động chậm, tổn thất khởi động lớn

do lượng dung dịch chứa trong thiết bị lớn

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ MÁY LẠNH HẤP THỤ

1.2.1 Các công trình ở Việt Nam

Ở Việt Nam cũng đã có những công trình của các tác giả nghiên cứu về MLHT

và khả năng áp dụng loại máy này trong thực tế

Năm 2001 tác giả Lê Xuân Hòa [10] đã đưa ra mô hình MLHT NH3/H2O gián đoạn, không sử dụng bơm, sử dụng năng lượng mặt trời và có hướng ứng dụng nhiệt

21

thải Với thiết bị này tác giả chưa công bố nhiệt độ làm lạnh có thể đạt được là bao nhiêu

Năm 2002 tác giả Hoàng Dương Hùng, Trần Ngọc Lân [6] đã nghiên cứu, thiết

kế và chế tạo thực nghiệm mẫu MLHT sử dụng năng lượng mặt trời với cặp môi chất

là than hoạt tính và methalnol để sản xuất nước đá

Năm 2011 tác giả Võ Kiến Quốc, Lê Chí Hiệp [18] đã nghiên cứu MLHT NH3/H2O gián đoạn, sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất nước đá

Năm 2012 tác giả Đặng Thế Hùng [4] đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo MLHT NH3/H2O sử dụng nhiệt thải và năng lượng mặt trời Kết quả của công trình bước đầu

đã khẳng định khả năng hoạt động của MLHT ở nhiệt độ bay hơi là 2 ºC Tuy nhiên,

do thiết bị còn đơn giản, chưa có các chi tiết linh hoạt để hỗ trợ cho việc vận hành, vật liệu chế tạo chưa phù hợp nên tuổi thọ thiết bị ngắn vì vậy không sử dụng được cho phục vụ nghiên cứu lâu dài

Năm 2014 tác giả Nguyễn Trần Quỳnh [16] trên cơ sở thiết bị của các tác giả [4]

đã nghiên cứu thay thế một số thiết bị tránh sự ăn mòn của cặp môi chất NH3/H2O và

có khảo sát sự liên quan giữa nồng độ dung dịch đậm đặc và dung dịch loãng với nhiệt độ làm lạnh của hệ thống

Năm 2015 tác giả Hoàng Mai Hồng [7] trên cơ sở thiết bị của các tác giả [16] đã nghiên cứu chế tạo mô hình MLHT sử dụng nhiệt thải và năng lượng mặt trời hoạt động trong môi trường rung lắc và chống ăn mòn Mô hình MLHT này rất thích hợp hoạt động trong các điều kiện như trên tàu cá

Qua những nghiên cứu trên về hệ thống MLHT nói chung và hướng phát triển của MLHT, tác giả của luận văn mong muốn nghiên cứu thuật toán tính toán, mô phỏng máy lạnh hấp thụ một cấp sử dụng cặp môi chất NH3/H2O để phục vụ cho công tác tính toán, nghiên cứu và chế tạo

1.2.2 Các công trình 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

22

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… [13] 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:

- Jose Fernandez, Manuel Vazquez [19] vào năm 1999 đã nghiên cứu về vấn đề kiểm soát nhiệt độ tối ưu trong hệ thống máy lạnh hấp thụ NH3 – H2O Nội dung của nghiên cứu trên là nghiên cứu sự ảnh hưởng của nguồn cấp nhiệt độ lên COP của máy lạnh hấp thụ để tìm ra nhiệt độ tối ưu và phương án kiểm soát nhiệt độ để COP đạt được

là cao nhất

- Jesus Cerezo, Mahmound Bourouis, Manel Valles, Alberto Coronas, Roberto Best vào năm 2007 đã nghiên cứu thực nghiệm về bóng hấp thụ NH3-H2O sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm trên máy lạnh hấp thụ Nghiên cứu này sử dụng môi chất NH3 – H2O và tìm hiểu diễn biến của chất hấp thụ này trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm được điều khiển bởi nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp

1.3 ĐỐI TƯỢNG, MỤC ĐÍCH VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu, xây dựng thuật toán và lập trình phần mềm tính toán, mô phỏng MLHT một cấp NH3/H2O sử dụng năng lượng mặt trời và nhiệt thải theo sơ đồ nguyên

lý hình 1.9

Các điểm trạng thái của sơ đồ hình 1.9 như sau:

Điểm 1: Hơi NH3 ra khỏi tháp tinh luyện (vào dàn ngưng tụ);

Điểm 2: Lỏng NH3 ra khỏi dàn ngưng tụ (vào thiết bị hồi nhiệt môi chất lạnh); Điểm 3: Lỏng NH3 quá lạnh ra khỏi thiết bị hồi nhiệt môi chất lạnh (vào thiết lưu môi chất lạnh);

Điểm 4: Lỏng NH3 ra khỏi van tiết lưu môi chất lạnh (vào dàn bay hơi);

Điểm 5: Hơi NH3 ra khỏi dàn bay hơi (vào thiết bị hồi nhiệt môi chất lạnh);

Điểm 6: Hơi quá nhiệt NH3 ra khỏi thiết bị hồi nhiệt môi chất lạnh (vào bình hấp thụ);

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O

Điểm 9: Dung dịch NH3/H2O nồng độ thấp ra khỏi van tiết lưu dung dịch (vào bình hấp thụ);

Điểm 10: Dung dịch NH3/H2O nồng độ cao ra khỏi bình hấp thụ (vào bơm dung dịch); Điểm 11: Dung dịch NH3/H2O nồng độ cao ra khỏi bơm dung dịch (vào bình hồi lưu); Điểm 12: Dung dịch NH3/H2O nồng độ cao ra khỏi bình hồi lưu (vào thiết bị hồi nhiệt dung dịch);

Điểm 13: Dung dịch NH3/H2O nồng độ cao ra khỏi thiết bị hồi nhiệt dung dịch (vào bình sinh hơi);

Điểm 14: Hơi NH3 có lẫn hơi nước ra khỏi tháp tinh luyện (vào tháp ngưng tụ hồi

24

lưu);

Điểm 15: Hơi nước từ tháp ngưng tụ hồi lưu trở lại bình sinh hơi qua tháp tinh luyện

1.3.2 Mục đích và phạm vi nghiên cứu

1.3.2.1 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của đề tài thực hiện các nội dung sau:

- Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu để tính toán MLHT một cấp NH3/H2O

- Xây dựng thuật toán tính toán, thiết kế MLHT một cấp NH3/H2O

- Lập trình phần mềm tính toán, mô phỏng MLHT một cấp NH3/H2O

1.3.2.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu thuật toán và lập trình phần mềm mô phỏng, tính toán máy lạnh hấp thụ NH3/H2O sử dụng năng lượng mặt trời và nhiệt thải là một lĩnh vực rộng Tuy nhiên, với thời gian và điều kiện thực hiện đề tài tác giả đã tập trung nghiên cứu những nội dung chính sau:

- Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu để tính toán MLHT một cấp bằng phương pháp giải tích

- Nghiên cứu xây dựng thuật toán toán chu trình và thiết kế hệ thống MLHT một cấp với các thiết bị của hệ thống bao gồm bơm dung dịch, bình ngưng tụ, bình bay hơi, bình hấp thụ, tổ hợp bình sinh hơi – tháp tinh luyện – thiết bị ngưng tụ hồi lưu, thiết bị hồi nhiệt Sau đó mô phỏng quá trình hoạt động của hệ thống MLHT đã thiết

kế

- Lập trình phần mềm tính toán chu trình, thiết kế và mô phỏng hệ thống MLHT một cấp Kết quả tính toán, mô phỏng hoạt động các thiết bị được đánh giá, đối chứng với kết quả thực nghiệm của một số công trình đã công bố

25

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÁY LẠNH HẤP THỤ

2.1 TÍNH TOÁN CHU TRÌNH

2.1.1 Lựa chọn các thông số ban đầu

Các thông số đầu vào bao gồm:

- Nhiệt độ nguồn nước gia nhiệt tH1 từ (80 ÷ 150) oC

- Nhiệt độ ngưng tụ tK tại dàn ngưng dao động trong khoảng (25 ÷ 35) oC

- Nhiệt độ bay hơi t0 tại dàn bay hơi dao động trong khoảng ((-8) ÷ (-15)) oC

Từ các thông số lựa chọn trên, ta lựa chọn được các thông số đầu vào tương ứng:

- Nhiệt độ nước gia nhiệt ra: tH2 = tH1 – 2

2.1.2 Xác định các thông số trạng thái của chu trình

2.1.2.1 Các thông số trạng thái của dung dịch

Theo [8] ta có công thức tính toán nhiệt động vật lý của dung dịch NH3/H2O như sau:

 Nhiệt độ sôi của dung dịch

Nhiệt độ sôi của dung dịch NH3/H2O ở nồng độ  và áp suất p

aT=

Trong đó: a,b được xác định theo công thức (2.1)

 Enthalpy của dung dịch lỏng và hơi

26

- Enthalpy của dung dịch NH3/H2O tính theo công thức:

(2.3) Trong đó:

i’: Enthalpy của dung dịch lỏng ở nồng độ ξ, nhiệt độ T, áp suất P, kJ/kg : Enthalpy hơi amoniac, kJ/kg

3

2 2 NH

qt: nhiệt lượng hòa trộn, kJ/kg

- Enthalpy của hơi bay ra từ dung dịch được tính theo công thức:

(2.6) Trong đó:

: Enthalpy hơi amoniac, kJ/kg

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

Nồng độ hơi bay ra từ dung dịch được tính theo công thức

b d T

'

q ξ).i

(1 ξ.i

V ''

2

.i ξ

µn: Độ nhớt động lực học của nước, Ns/m2

n

ln  6,87757 2,1919.10 T   6,38605.10 T (2.13) µa: Độ nhớt động lực học của amoniac, Ns/m2

a

ln  ( 7,9732 2,61441.T  243288.T ).10  (2.14)

2.1.2.2 Xác định các điểm trạng thái trong chu trình

 Xác định thông số trạng thái điểm nút 10

Điểm nút 10 là điểm dung dịch NH 3 /H 2 O nồng độ cao ra khỏi bình hấp thụ vào bơm dung dịch

Ta có: P10 = P0, t10 = tk

O H

NH 3 (1 ξ).λ 2

ξ.λ

a a a

n.(1 - ξ ) ξ μ

μ

28

Thay giá trị P10 vào công thức (2.2) ta xác định được phương trình bậc 6 với biến

số là ξ10 Sử dụng phương pháp chi đôi với khoảng cách ly nghiệm là (0;1) ta xác định được giá trị ξ10 = ξr Sử dụng công thức (2.3) ta tính được giá trị i10 Vậy xác định được bộ thông số (t10, P10, i10, ξ10)

 Xác định thông số trạng thái điểm nút 7

Điểm 7 là điểm dung dịch NH3/H2O có nồng độ thấp ra khỏi bình sinh hơi vào thiết bị hồi nhiệt

Ta có: P7 = Pk, t7 = tH (nhiệt độ dung dịch loãng ra khỏi bình sinh hơi) Tương tự như điểm nút 10, thay giá trị P7 vào công thức (2.2) ta xác định được phương trình bậc 6 với biến số là ξ7 Sử dụng phương pháp chi đôi với khoảng cách ly nghiệm là (0;1) ta xác định được giá trị ξ7 Sử dụng công thức (2.3) ta tính được giá trị i10 Vậy xác định được bộ thông số (t7, P7, i7, ξ7)

 Xác định thông số trạng thái điểm nút 2

Điểm 2 là điểm lỏng NH3 sau thiết bị ngưng tụ

Ta có: P2 = Pk, t2 = tk, ξ2 = ξd = 1 Sử dụng công thức nội suy tra bảng Hơi ẩm NH3 theo áp suất P2 ta xác định được i2 Vậy xác định được bộ thông số (t2, P2, i2, ξ2)

 Xác định thông số trạng thái điểm nút 5

Điểm 5 là điểm hơi NH3 sau dàn bay hơi

Ta có: P5 = P0, t5 = t0, ξ5 = ξd = 1 Sử dụng công thức nội suy tra bảng Hơi ẩm NH3 theo áp suất P5 ta xác định được i5 Vậy xác định được bộ thông số (t5, P5, i5, ξ5)

 Xác định thông số trạng thái điểm nút 6

Điểm 6 là điểm hơi quá nhiệt NH3 ra khỏi thiết bị hồi nhiệt môi chất lanh

Ta có: P6 = P0, ξ6 = 1

Xác định nhiệt độ t6:

Xét cân bằng nhiệt tại thiết bị hồi nhiệt môi chất lạnh

QHNmc = mdCpl (t2 - t3) = mdCph(t6 -t5)

Trong đó:

md: Lưu lượng môi chất lạnh, kg/s

Cpl, Cph: nhiệt dung riêng đẳng áp của pha lỏng và pha hơi môi chất lạnh

 Xác định thông số trạng thái điểm nút 3

Điểm 3 là điểm lỏng NH3 quá lạnh ra khỏi thiết bị hồi nhiệt môi chất

Ta có: P3 = Pk, ξ3 = 1 kg/kg

Xác định enthanpy i3 :

Xét cân bằng nhiệt tại thiết bị hồi nhiệt môi chất:

md x (i2 - i3) = md x (i6 - i5)

 i3 = i2 + i5 - i6 Xác định nhiệt độ t3: sau khi ra khỏi thiết bị hồi nhiệt, lượng nhiệt do lỏng môi chất thải ra bằng lượng nhiệt do hơi môi chất thu vào:

Vậy xác định được bộ thông số (t6, P6, i6, ξ6)

 Xác định thông số trạng thái điểm nút 4

Điểm 4 là điểm lỏng NH3 ra khỏi van tiết lưu môi chất

Ta có: P4 = P0, t4 = t0, ξ4 = ξd = 1, i4 = i3 Vậy xác định được bộ thông số (t4, P4, i4, ξ4)

 Xác định thông số trạng thái điểm nút 11

Điểm 11 là điểm dung dịch NH3/H2O nồng độ cao ra khỏi bơm dung dịch (vào bình hồi lưu)

Ta có: P11 = Pk, t11 = t10, ξ11 = ξ10, i11 = i10 Vậy xác định được bộ thông số (t11, P11,