Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình máy lạnh hấp phục sử dụng cặp môi chất than hoạt tính r134a

Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình máy lạnh hấp phục sử dụng cặp môi chất than hoạt tính r134a Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình máy lạnh hấp phục sử dụng cặp môi chất than hoạt tính r134a Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình máy lạnh hấp phục sử dụng cặp môi chất than hoạt tính r134a Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình máy lạnh hấp phục sử dụng cặp môi chất than hoạt tính r134a

MỤC LỤC

Trang

Quyết định giao đề tài i

Giấy xác nhận ii

Lý lịch khoa học iii

Lời cam đoan iv

Lời cảm ơn v

Mục lục vi

Danh sách các chữ viết tắt ix

Danh sách các hình ảnh x

Danh sách các bảng biểu xii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Sơ lược về lịch sử máy lạnh hấp phụ 1

1.2 Tổng quan nghiên cứu 2

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 2

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 5

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 11

1.4 Mục tiêu nghiên cứu 13

1.5 Đối tượng nghiên cứu 13

1.6 Phạm vi nghiên cứu 13

1.7 Phương pháp nghiên cứu 13

1.8 Nội dung nghiên cứu 14

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

2.1 Chu trình hấp phụ môi chất lạnh cơ bản 15

2.2 Nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp phụ 16

2.3 Hấp phụ đẳng nhiệt 16

2.3.1 Phương trình Langmuir 17

2.3.2 Phương trình Toth 17

2.3.3 Phương trình Dubinin 18

2.4 Thông số ảnh hưởng COP 20

2.4.1 Thời gian chuyển đổi 20

2.4.2 Thời gian chu trình 20

2.4.3 Nhiệt độ hoạt động 21

2.5 Chất hấp phụ 22

2.6 Môi chất 31

2.6.1 Các yêu cầu phù hợp cho môi chất 31

2.6.2 Nước 32

2.6.3 Ethanol 33

2.6.4 R134a 33

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY LẠNH HẤP PHỤ 35

3.1 Sơ đồ thiết kế tổng thể của mô hình 35

3.2 Chọn kích thước bình bay hơi/ngưng tụ 36

3.3 Tính nhiệt bình bay hơi 36

3.3.1 Dòng nhiệt đi qua kết cấu bao che 38

3.3.2 Nhiệt lượng làm lạnh bình bay hơi và thùng chứa bình bay hơi 39

3.3.3 Nhiệt lượng làm lạnh nước 40

3.4 Tính toán quá trình hấp phụ 42

3.4.1 Phương trình sự hấp phụ 42

3.4.2 Khối lượng than hoạt tính 43

3.4.3 Kích thước bộ hấp phụ 43

Chương 4 CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH 45

4.1 Mô hình tổng thể 45

4.2 Kích thước của thiết bị 45

4.3 Thiết bị bổ sung vào hệ thống 49

4.3.1 Bơm chân không 49

4.3.2 Khí heli được sử dụng để loại bỏ các khí còn lại từ chất hấp phụ 49

4.3.3 Đồng hồ đo áp và cảm biến nhiệt độ 50

4.3.4 Bơm nước giải nhiệt và tháp giải nhiệt 51

4.4 Kiểm tra thiết lập thực nghiệm 53

4.5 Trước khi thực nghiệm 53

4.6 Quy trình thực nghiệm 55

4.6.1 Quá trình hấp phụ 55

4.6.2 Quá trình giải hấp 57

4.7 Kết quả thực nghiệm 57

4.8 So sánh kết quả thực nghiệm với phương trình đẳng nhiệt Dubinin-Astakhov 65 Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

5.1 Những đóng góp chính của đề tài 67

5.2 Hạn chế 67

5.3 Hướng phát triển 68

Tài liệu tham khảo 69

Phụ lục 72

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

T [K] Nhiệt độ 𝛼 [𝑊/𝑚2𝐾] hệ số toả nhiệt đối lưu

W [kg/kg] Hệ số hấp phụ 𝑋𝑜 tỷ lệ nồng độ tối đa có thể

của chất bị hấp phụ

𝑊𝑜 [kg/kg] Hệ số hấp phụ tối đa k [𝑊/𝑚2𝐾] hệ số truyền nhiệt

b hệ số thời gian làm

E [J/mol] Năng lượng đạc trưng 𝛿 [m] Chiều dày

𝛽 hệ số trước theo cấp số

k hệ số tính đến tổn thất F [𝑚2] Diện tích

R [J/kgK] Hằng số chất khí m [kg] Khối lượng

𝑃𝑠 [bar] áp suất bão hòa của

chất bị hấp phụ

𝐶𝑝 [J/kg] Nhiệt dung riêng

X [kg/kg] Tỷ lệ nồng độ r [J/kg] Nhiệt ẩn hóa hơi

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mô hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng Zeolite - nước 3

Hình 1.2 Máy lạnh hấp phụ sử dụng cặp môi chất than hoạt tính và Methanol sản xuất nước đá 4

Hình 1.3 Máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng cặp môi chất than hoạt tính – methanol 5

Hình 1.4 Mô hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng cặp môi chất than hoạt tính - methanol 5

Hình 2.1 Đồ thị P-T cho chu trình hấp phụ cơ bản (theo đồ thị Clapeyron) [23] 15

Hình 2.2 Nguyên lý công nghệ làm lạnh hấp phụ [24] 16

Hình 2.3 Sơ đồ biểu diễn cấu trúc lỗ của vật liệu hấp phụ [25] 23

Hình 2.4 Minh họa cấu trúc lỗ xốp 23

Hình 2.5 Cấu trúc của than hoạt tính [27] 25

Hình 2.6 Than hoạt tính nhìn dưới kính hiển vi [29] 26

Hình 2.7 Than hoạt tính từ gáo dừa [30] 27

Hình 2.8 Sơ đồ tổng quát về than hoạt tính dạng sợi và dạng hạt 28

Hình 3.1 Bản thiết kế tổng thể mô hình 35

Hình 3.2 Thùng nước chứa bình bay hơi 36

Hình 3.3 Đường hấp phụ đẳng nhiệt của than hoạt tính/ R134a [8] 43

Hình 3.4 Bộ hấp phụ 44

Hình 4.1 Sơ đồ mô tả vị trí của thiết bị trong mô hình 45

Hình 4.2 Mô hình thực nghiệm 46

Hình 4.3 Mô hình thực nghiệm với 2 thùng chứa nước 47

Hình 4.4 Van bi 48

Hình 4.5 Van tiết lưu tay 48

Hình 4.6 Công suất van tiết lưu, tấn (kW) 48 Hình 4.7 Bơm chân không, đường ống kết nối và thông số của bơm chân không 49

Hình 4.8 Kết nối bình khí heli vào mô hình thông qua đường ống mềm 49

Hình 4.9 Đồng hồ đo áp suất 50

Hình 4.10 Cảm biến nhiệt độ 51

Hình 4.11 Bơm nước nóng và bơm nước giải nhiệt 52

Hình 4.12 Bơm nước giải nhiệt bình bay hơi 52

Hình 4.13 Mô hình tổng thể máy lạnh hấp phụ 53

Hình 4.14 Nạp môi chất vào bình bay hơi 54

Hình 4.15 Kết nối cảm biến nhiệt độ vào 2 thùng chứa nước 55

Hình 4.16 Sản phẩm lạnh sau quá trình hấp phụ 56

Hình 4.17 Mối quan hệ giữa thời gian và áp suất bay hơi với nhiệt độ gia nhiệt là 90℃ và nhiệt độ nước làm mát là 25 ℃ của cặp môi chất than hoạt tính - R134a 58

Hình 4.18 Mối quan hệ giữa thời gian và nhiệt độ bay hơi với nhiệt độ gia nhiệt là 90℃ và nhiệt độ nước làm mát là 25℃ của cặp môi chất than hoạt tính - R134a 59

Hình 4.19 Mối quan hệ giữa áp suất bay hơi và nhiệt độ bay hơi với nhiệt độ gia nhiệt là 90℃ và nhiệt độ nước làm mát là 25℃ của cặp môi chất than hoạt tính - R134a 60

Hình 4.20 Khả năng hấp phụ tại nhiệt độ bay hơi là 25℃ với nhiệt độ gia nhiệt là 90℃ và nhiệt độ nước làm mát là 25℃ của cặp môi chất than hoạt tính – R134a 62

Hình 4.21 Khả năng hấp phụ tại nhiệt độ bay hơi là 20℃ với nhiệt độ gia nhiệt là 90℃ và nhiệt độ nước làm mát là 25℃ của cặp môi chất than hoạt tính – R134a 62

Hình 4.22 Khả năng hấp phụ tại nhiệt độ bay hơi là 15℃ với nhiệt độ gia nhiệt là 90℃ và nhiệt độ nước làm mát là 25℃ của cặp môi chất than hoạt tính – R134a 63

Hình 4.23 Khả năng hấp phụ tại nhiệt độ bay hơi là 10℃ với nhiệt độ gia nhiệt là 90℃ và nhiệt độ nước làm mát là 25℃ của cặp môi chất than hoạt tính – R134a 64

Hình 4.24 Sự tương quan giữa kết quả thực nghiệm với phương trình đẳng nhiệt Dubinin - Astakhov (D - A) Đường nét liền là kết quả thực nghiệm, đường nét đứt là phương trình đẳng nhiệt (D - A) 66

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Thông số ảnh hưởng COP 21

Bảng 2.2: Cấu trúc và tính chất nhiệt vật lý của các loại than hoạt tính [26] 28

Bảng 2.3: Thông số kết quả thử nghiệm mẫu than hoạt tính công ty COCOAC 31

Bảng 2.6: Đặc tính nhiệt vật lý của một số chất bị hấp phụ phổ biến [26] 32

Bảng 2.7: Đặc tính hóa học và vật lý của Nước 32

Bảng 2.8: Đặc tính hóa học và vật lý của Ethanol 33

Bảng 2.9: Đặc tính hóa học và vật lý của R134a [31] 34

Bảng 3.1: Thông số vật liệu của thùng chứa bình bay hơi 37

Bảng 3.2: Tổng hợp kích thước thiết bị bay hơi 38

Bảng 4.1: Khả năng hấp phụ tại các nhiệt độ bay hơi tương ứng với 1 kg R134a nạp vào mô hình 61

Bảng 4.2: Khả năng hấp phụ tại các nhiệt độ bay hơi tương ứng với 2 kg R134a nạp vào mô hình 61

Bảng 4.3: Khả năng hấp phụ tại các nhiệt độ bay hơi tương ứng với 3 kg R134a nạp vào mô hình 61

Bảng 4.4: Khả năng hấp phụ tại các nhiệt độ bay hơi tương ứng 65

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Sơ lược về lịch sử máy lạnh hấp phụ

Lĩnh vực hấp phụ chất rắn làm lạnh bắt đầu từ khá sớm và đã có một thời gian ngắn thương mại hóa thành công, biến mất trong 60 năm trở lại đây và hiện đang trải qua thời kỳ phục hưng Nghiên cứu khoa học đầu tiên về hấp phụ đã được Scheele và Fontana thực hiện vào năm 1773, nhưng sử dụng được nó để làm lạnh từ năm 1848 khi Michael Faraday đã chứng minh được một hệ thống sử dụng amoniac và AgCl làm cặp chất hấp phụ

Các sản phẩm thương mại đầu tiên là trong những năm đầu của thế kỷ XX Plank và Kuprianoff đã mô tả một hệ thống hấp phụ thực tế (tủ lạnh 'Eskimo' do Công

ty Lạnh Amundsen của Na Uy sản xuất), sử dụng methanol và than hoạt tính Năm

1929, Hulse đã đưa ra tủ lạnh sử dụng silicagel - SO2 làm cặp môi chất và đã đạt nhiệt

độ bay hơi là −12℃ dùng để trữ thực phẩm trên các chuyến tàu Vào năm 1930, làm lạnh sử dụng công nghệ máy nén cơ học nén hơi đã được phát triển một cách nhanh chóng và làm lạnh hấp phụ không còn có thể cạnh tranh với những hệ thống đó Từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ những năm 1970, cho thấy việc tiết kiệm năng lượng hay

sử dụng năng lượng hiệu quả đang quay lại quan tâm tới các hệ thống hấp phụ cho tiềm năng tiết kiệm năng lượng Các hệ thống hấp phụ có xu hướng sử dụng chất làm lạnh thân thiện với môi trường (được gọi là môi chất tự nhiên) thay vì các chất CFC hoặc HFC Vì vậy đây cũng là một sự chuyển hướng đối với các chất làm lạnh tự nhiên như amoniac và CO2 trong máy lạnh nén hơi Tuy nhiên, vì các chu trình hấp phụ được điều khiển bởi nhiệt chứ không phải công Nhiệt ở đây bao gồm việc sử dụng nhiệt thải (ví dụ như đốt nhiên liệu để sản xuất điện, gia nhiệt hoặc làm mát), làm mát bằng năng lượng mặt trời, bơm nhiệt chạy bằng khí đốt, hoặc thiết bị điều hòa không khí,

Sự trở lại của hệ thống làm lạnh hấp phụ được quan tâm là vào cuối những năm

1970 khi Meunier bắt đầu nghiên cứu trên các cặp chất thích hợp để sử dụng cho các

tủ lạnh năng lượng mặt trời hoặc để duy trì dây chuyền làm lạnh vắc xin hoặc để lưu trữ lương thực ở các nước đang phát triển Những nhà khoa học sớm khác trong cùng lĩnh vực áp dụng là Worsøe-Scmidt và Tchernev Sự quan tâm tăng nhanh trong những năm 1980 với một hội nghị lớn của châu Âu vào năm 1988 có khoảng 50 bài báo Ngoài ra còn có hệ thống làm lạnh hấp phụ trên thị trường, đặc biệt là từ Mycom

và Nishiyodo tại Nhật Bản và D.Y ở Trung Quốc và các sản phẩm khác đang được phát triển bởi các công ty như Vaillant ở Đức

1.2 Tổng quan nghiên cứu

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ngày nay năng lượng mặt trời đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ nhu cầu sinh hoạt cho đến sản xuất như: sản xuất điện, kỹ thuật lạnh, vận tải, cung cấp nước nóng trong sinh hoạt, công nghệ sấy…

Theo tài liệu [1] so với các ứng dụng khác của năng lượng mặt trời, việc sử dụng năng lượng mặt trời vào mục đích làm lạnh rất thu hút vì có sự đồng biến giữa cường

độ bức xạ mặt trời và nhu cầu sử dụng lạnh Ở nơi càng nóng, cường độ bức xạ mặt trời dồi dào thì nhu cầu làm lạnh càng lớn Tuy nhiên, do hiện nay chưa giải quyết tốt các vấn đề về giá thành và hiệu quả mang lại, do đó máy lạnh sử dụng năng lượng mặt trời vẫn chưa được ứng dụng nhiều trong thực tế Việc nghiên cứu tìm ra mô hình máy lạnh sử dụng năng lượng mặt trời dùng trong dân dụng như làm ra đá lạnh (tích trữ lạnh), bảo quản vắc xin, thực phẩm tại vùng sâu, vùng xa, nơi không có lưới điện

là nhu cầu cần thiết và khả thi nhất là các nước có điều kiện tự nhiên thuận lợi như Việt Nam

Hoàng An Quốc và cộng sự [3] đã trình bày kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm mô hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng Zeolite - nước, thiết bị này

có thể sử dụng cho các mục đích khác nhau như bảo quản rau quả, thực phẩm hay điều hòa không khí… Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời đạt được chỉ nằm trong khoảng ht =5,3 - 6,9% và hiệu suất làm lạnh của máy

cũng đạt được giá trị hl = 4,02 - 6,02% Tuy cường độ bức xạ tương đối thấp nhưng

hệ thống vẫn đạt được hiệu quả, điều đó có nghĩa máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng Zeolite - Nước cũng có thể ứng dụng được nếu được nghiên cứu cải tiến và tiến hành vào thời điểm có cường độ bức xạ cao hơn

Hình 1.1 Mô hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng Zeolite - nước

Về ưu điểm:

Mô hình chế tạo đơn giản, dễ vận hành

Kinh phí chế tạo không cao

Hệ số sử dụng ít van, do đó việc duy trì chân không trong hệ thống được thuận lợi hơn

hệ thống ở những nơi thông thoáng và có gió

Bằng những cơ sở lý thuyết hấp phụ, lý thuyết năng lượng mặt trời, Hoàng Dương Hùng [4] đã thiết kế chế tạo mẫu máy lạnh hấp phụ với cặp môi chất than hoạt tính và methanol làm lạnh nước từ nhiệt độ môi trường xuống −15℃ để sản xuất nước đá với COP đạt 0,151 phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam

Hình 1.2 Máy lạnh hấp phụ sử dụng cặp môi chất than hoạt tính và Methanol sản

xuất nước đá

Ưu điểm:

Hệ thống đơn giản, dễ vận hành sửa chữa

Hệ thống sử dụng rất ít van Do đó việc duy trì chân không trong hệ thống thuận lợi hơn

hệ thống ở những nơi thông thoáng và có gió

Ngoài ra còn có một số đề tài luận văn thạc sĩ của các tác giả

Nguyễn Ngọc Trí [5] có luận văn: Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng cặp môi chất than hoạt tính – methanol trong sản xuất nước lạnh

Hình 1.3 Máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng cặp môi chất than hoạt tính –

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Askalany và cộng sự [7] đưa ra một bài đánh giá về hệ thống làm lạnh hấp phụ với các cặp hấp phụ của than hoạt tính với amoniac, methanol, ethanol, hydro, nitơ

và diethyl ete và dựa trên sự phù hợp của than hoạt tính (Maxsorb III) với R134a,

R507A, n-butane và CO2 Tổng quan của họ cho thấy khả năng hấp phụ tối đa của cặp than hoạt tính/hydrogen là 0,055 g/g ở 30℃ và 6 bar; đối với cặp sợi than hoạt tính/nitơ là 0,75 g/g ở −4℃; đối với cặp than hoạt tính/diethyl ether là 0,00139 g/g ở 50℃ và 0,1 bar; đối với cặp than hoạt tính/R134a là 2 g/g ở 30℃ và 8 bar, đối với cặp than hoạt tính/R507a là 1,3 g/g ở 20℃; đối với cặp than hoạt tính/n-butan là 0,8 g/g ở 35℃ và 2,3 bar và đối với cặp than hoạt tính/CO2 là 0,08 g/g tại 30℃ và 1 bar Askalany và cộng sự [8] đã tiến hành một nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính hấp phụ và giải hấp của cặp than hoạt tính / R134a Trên tất cả các thí nghiệm, nhiệt

độ của cặp môi chất được giữ ở khoảng 25 °C Kết quả thí nghiệm cho thấy việc gia tăng nhiệt độ của chất hấp phụ dẫn đến giảm tối đa khả năng hấp phụ cho đến khi đạt được 0,53 kg R134a / kg than ở 60 °C trong thời gian 450 giây Khả năng hấp phụ tối

đa được tìm thấy là 1,68 kg R134a / kg than ở 25 °C sau 1000 giây Tác giả cũng kết luận rằng than hoạt tính dạng hạt và R134a có thể được sử dụng như một cặp hấp phụ trong một hệ thống lạnh hấp phụ

Tác giả đã so sánh nhiều cặp môi chất hấp phụ với nhau và đã thấy rằng khả năng hấp phụ của cặp môi chất than hoạt tính – R134a là cao nhất trong số các cặp chất khác là 2g/g và áp suất là 8 bar ở 20℃ với thời điểm hiện tại Ngoài ra tác giả cũng đã sử dụng than hoạt tính dạng hạt và R134a để thực nghiệm với 4 nhiệt độ khác nhau là 25°C , 35°C , 45°C , 60°C và đã tìm được khả năng hấp phụ tối đa của cặp môi chất này là 1,68kg/kg ở nhiệt độ 25°C sau 1050 giây

Ưu điểm:

Mô hình cấu tạo đơn giản, dễ vận hành

Sử dụng ít van nên sự rò rỉ trong hệ thống ít hơn

Banker và cộng sự [9] đã nêu ra nhiều ưu điểm của hệ thống sử dụng môi chất R134a là nó vận hành trên áp suất khí quyển Điều này phải bảo đảm rằng hệ thống hoạt động với sự rò rỉ là rất nhỏ Họ cũng phân tích chu trình nhiệt động của hệ thống lạnh hấp phụ 2 cấp nén với cặp môi chất than hoạt tính - R134a Ảnh hưởng của nhiệt

độ bay hơi, ngưng tụ/hấp phụ, giải hấp đã được đánh giá thông qua hiệu quả hấp thu,

hệ số làm lạnh COP và hiệu suất exergy Người ta cũng thấy rằng hệ thống 2 cấp có tính linh hoạt cho sự vận hành trong dải nhiệt độ lớn của bay hơi, hấp phụ/ngưng tụ thậm chí với nguồn năng lượng nhiệt thấp

Banker và cộng sự [10] đã xây dựng mô hình phòng thí nghiệm về hệ thống làm lạnh hấp phụ bằng than hoạt tính như là chất hấp phụ và R134a làm chất làm lạnh Thiết bị đã được thử nghiệm với tải nhiệt lên đến 5 W ở trong vùng có nhiệt độ 5 - 18℃ Mục tiêu là sử dụng năng lượng nhiệt độ thấp để điều khiển một hệ thống làm lạnh có thể được sử dụng để làm mát một số thiết bị điện tử quan trọng Mô hình phòng thí nghiệm đã được kiểm tra về hiệu suất của nó ở các tải làm mát khác nhau với nhiệt độ nguồn nhiệt từ 73 đến 93℃

Banker và cộng sự [11] xây dựng mô hình phòng thí nghiệm công suất làm mát nhỏ của một hệ thống làm lạnh hấp phụ với than hoạt tính như là chất hấp phụ và HFC 134a làm môi chất lạnh Máy làm mát hấp phụ này được chế tạo để làm mát công suất dưới 5 W sử dụng nhiệt thải lên đến 90°C và thời gian của chu trình là trong vòng 20 phút

Saha và cộng sự [12] trình bày hấp phụ đẳng nhiệt của R134a (HFC - 134a) trên than hoạt tính có kích thước lỗ xốp rất lớn (Maxsorb III) trong khoảng nhiệt độ 5 - 70℃ và áp suất lên đến 12 bar, sử dụng phương pháp giải hấp Dữ liệu thực nghiệm

đã phù hợp với phương trình đẳng nhiệt D - A Nhiệt của sự hấp phụ cũng được đánh giá và thay đổi từ 22000 đến 28000 J/mol Khả năng hấp phụ tối đa của R134a lên than hoạt tính đã được tìm thấy là 2,1 kg/kg

Habib và cộng sự [13] đo tỷ lệ hấp phụ của R134a và R507A lên than hoạt tính dựa trên sự trùng khớp của loại Maxsorb III với nhiệt độ thay đổi từ 20 đến 60℃ Các

dữ liệu thu được từ các thí nghiệm được phân tích sử dụng mô hình khuếch tán Fickian

và thấy là khá phù hợp

Từ tài liệu [14] tính chất nhiệt - vật lý (diện tích bề mặt, khối lượng lỗ, đường kính hạt ) của chất hấp phụ đóng một vai trò quan trọng trong các đặc tính hấp phụ của cặp chất làm lạnh - chất hấp phụ Than hoạt tính (loại Maxsorb III) có thể trở thành chất hấp phụ tiềm năng trong lĩnh vực lạnh và một số nghiên cứu về Maxsorb III đã được thực hiện bởi (Saha và cộng sự, 2008a, Hamamoto và cộng sự, 2006) So với than hoạt tính dạng sợi hoặc dạng hạt, Maxsorb III có nhiều đặc tính bên trong làm cho nó vượt trội so với than hoạt tính khác Đặc tính của hệ thống làm lạnh hấp phụ với chất hấp phụ là than hoạt tính được trình bày trong bảng 2 phần phụ lục Các đặc tính hấp phụ của than hoạt tính và R134a đã được nhiều nhà nghiên cứu nghiên cứu về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm Sử dụng Maxsorb III làm chất hấp phụ, nhiệt đẳng hướng tối thiểu cho cặp này ước tính khoảng 21 kJ/mol Khả năng hấp phụ tối đa của cặp than hoạt tính/R134a là 2 g/g tại 30℃, hấp phụ đẳng nhiệt ở áp suất

800 kPa Tại 25 °C, thời gian hấp phụ ước tính là 1200 giây Nhiệt độ sôi bình thường của R134a là - 26,55℃ và khối lượng phân tử là 102,03 [15]

Độ khuyếch tán nhiệt thấp của các bình hấp phụ tạo ra một trường nhiệt độ lớn qua các bình hấp phụ hình trụ sử dụng trong các chu trình làm mát hấp phụ Điều này làm giảm sự chênh lệch nồng độ mà qua đó máy nén nhiệt hoạt động Hấp phụ động học chậm kết hợp với hiệu ứng thể tích rỗng làm giảm thêm năng suất từ các máy nén nhiệt hấp phụ Vấn đề có thể được giảm nhẹ một phần bằng cách tăng nhiệt độ giải hấp Kandadai Srinivasan và cộng sự [16] đã xác định nhiệt độ giải hấp tối thiểu cần thiết cho một bộ nhiệt độ bay hơi / ngưng tụ nhất định cho cặp than hoạt tính - R134a

là trên 80℃

Từ kết quả của tài liệu số [17] sau khi xác định được than hoạt tính tốt nhất thông qua việc đánh giá hiệu suất nhiệt động trong việc điều hòa không khí và làm lạnh, thiết kế của bình hấp phụ đã được phát triển bằng cách phân tích hiệu năng động thực nghiệm được thực hiện bằng thực nghiệm phân tích hiệu suất động học tại phòng thí nghiệm CNR ITAE Cuối cùng, đã thiết kế và xây dựng được mô hình tủ lạnh có

công suất 0,5 kW Các kết quả thử nghiệm đầu tiên cả trong điều kiện điều hòa không khí và chu trình lạnh đã được báo cáo để kiểm tra hiệu suất đạt được Năng suất lạnh riêng cao (SCP) 95 W/kg đối với điều hòa không khí và 50 W /kg với việc làm lạnh

đã thu được Trong khi COP nằm trong khoảng 0,09 đến 0,11 cho thấy sự cải thiện hiện trạng

V Palomba và cộng sự [18] đã thực hiện một nghiên cứu về tủ lạnh hấp phụ trong phòng thí nghiệm sử dụng cặp môi chất than hoạt tính - ethanol Công suất làm lạnh riêng khá tốt đối với điều hòa không khí SCP đạt 180W/kg trong thời gian tối

ưu của chu trình là 600 giây Ngược lại, trong các điều kiện làm lạnh, do áp suất hơi thấp bên trong hệ thống nên thời gian tối ưu chu trình được tăng lên, dao động từ

1200 đến 1600 giây làm cho SCP thấp hơn từ 20 đến 70 W/kg Các giá trị COP cao hơn đã được đo cho các ứng dụng điều hòa không khí lên đến 0,17 Trong khi dưới điều kiện làm lạnh, COP đã được đo từ 0,05 đến 0,10 Kết quả cũng đã chỉ ra rằng COP và SCP tăng bằng cách thu hồi nhiệt giữa các bình hấp phụ (COP tăng từ 20 đến 40% trong cả điều kiện điều hòa không khí và làm lạnh) Kết quả thu được cho thấy khả năng sử dụng một chất làm lạnh không độc hại như ethanol đạt hiệu suất tương đương với các chất làm lạnh có hại khác như amoniac và methanol

Sang Woo Hong và cộng sự [19] cũng đưa ra ba trường hợp chuyển đổi thời gian (0 giây, thời gian chuyển đổi tối ưu và tăng gấp đôi thời gian chuyển đổi tối ưu) được xem xét trong khi thay đổi các thông số của bước cánh, chiều cao cánh và nhiệt

độ gia nhiệt COP và SCP giảm khi thời gian chuyển đổi tăng do khả năng truyền chất giữa các hạt trong quá trình đẳng vị giảm COP và SCP được đánh giá cao 3,4%

và 2,9% khi không tính thời gian chuyển đổi và giảm 3,8% và 5,2% khi thời gian chuyển đổi tăng gấp đôi so với thời gian chuyển đổi tối ưu Tuy nhiên việc tăng hiệu suất trong trường hợp không có thời gian chuyển đổi hoặc thời gian chuyển đổi cực

kì ngắn là không thực do áp suất duy trì của bình bay hơi và ngưng tụ là áp suất ảo COP và SCP với thời gian chuyển đổi tối ưu được ước tính cho các bước cánh, chiều cao cánh và nhiệt độ gia nhiệt Các giá trị tối ưu của bước cánh (3 mm), chiều

cao cánh (12 mm) và nhiệt độ gia nhiệt (85 °C) đã được tìm thấy đối với COP Mặt khác, SCP tăng với giảm bước cánh và chiều cao cánh và tăng nhiệt độ gia nhiệt

Ngoài ra, Xu Ji và cộng sự [20] đã thiết kế và chế tạo hệ thống lạnh hấp phụ làm

đá sử dụng nước nóng năng lượng mặt trời với bình trữ nhiệt Bình đựng chất hấp phụ được bỏ trong thùng nước và được gia nhiệt bằng nước nóng từ bộ thu năng lượng mặt trời sử dụng ống chân không trong quá trình giải hấp Than hoạt tính và methanol được sử dụng làm cặp môi chất hấp phụ trong hệ thống Ảnh hưởng của nhiệt độ nguồn nhiệt lên hiệu suất của hệ thống đã được thực nghiệm đánh giá dưới 4 điều kiện: duy trì nhiệt độ nước trong thùng là 94℃, 85℃, 75℃ và gia nhiệt nước đạt 94℃ sau đó để nước nóng nguội tự nhiên mà không cần duy trì gia nhiệt trong quá trình giải hấp Công suất làm đá tối đa trong 1 ngày là 8,4kg và nhiệt độ thấp nhất đạt được

là -8,6℃ khi nhiệt độ nước gia nhiệt được duy trì ở mức 94℃ Hệ số làm lạnh đạt được là 0,139 trong điều kiện gia nhiệt nước lên 94℃ rồi để nguội tự nhiên mà không cần duy trì gia nhiệt Hiệu suất sử dụng nhiệt của hệ thống giảm khi tăng nhiệt độ nguồn nhiệt do sự mất nhiệt lớn hơn trong quá trình giải hấp

M Li và cộng sự [21] đã sử dụng cặp môi chất là than hoạt tính - methanol và than hoạt tính - ethanol, hai cặp môi chất này được dùng trong máy lạnh hấp phụ sử dụng năng lượng mặt trời để làm ra đá dưới điều kiện môi trường Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng đá có thể được sản xuất bằng than hoạt tính - methanol Tuy nhiên, không thể lấy được đá bằng cách sử dụng than hoạt tính - ethanol bằng cách

sử dụng cùng một máy lạnh hấp phụ năng lượng mặt trời với môi trường và cường

độ bức xạ tương tự Các thí nghiệm tiếp theo đã chỉ ra rằng lượng môi chất lạnh trong quá trình hấp phụ và giải hấp của hai cặp làm việc đã cho kết quả khá khác nhau, than hoạt tính-methanol đã chứng tỏ là tốt nhất, là một trong hai cặp làm việc trong máy lạnh hấp phụ sử dụng năng lượng mặt trời sản xuất nước đá

I.I El-Sharkawy và cộng sự [22] đã sử dụng cặp môi chất Maxsorb III và ethanol với nhiệt độ hấp phụ trong khoảng 20 - 60℃ Phương trình Dubinin Astakhov cũng

đã được sử dụng để so sánh các dữ liệu tương quan Sử dụng mô hình cân bằng nhiệt động, hiệu suất cảu chu trình hấp phụ làm lạnh lý tưởng cũng đã được nghiên cứu và

so sánh với cặp môi chất sợi than hoạt tính và ethanol Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng Maxsorb III có thể hấp phụ lên tới 1,2 kg ethanol/ kg chất hấp phụ Các tính toán

lý thuyết cho thấy, chu trình hấp phụ Maxsorb III - ethanol có thể đạt được hiệu quả làm lạnh riêng khoảng 420 kJ/kg ở nhiệt độ bay hơi 7℃ cùng với nguồn nhiệt 80℃

và do đó cặp này được khuyến cáo trong các ứng dụng làm mát bằng năng lượng mặt trời

Cũng theo tài liệu [28] diện tích bề mặt của than hoạt tính nếu tính ra đơn vị khối lượng thì là từ 500 đến 2500 m2/g (lấy một ví dụ cụ thể để so sánh thì một sân quần vợt có diện tích rộng khoảng chừng 260 m2) Bề mặt riêng rất lớn này là hệ quả của cấu trúc xơ rỗng mà chủ yếu là do thừa hưởng từ nguyên liệu hữu cơ xuất xứ, qua quá trình chưng khô (sấy) ở nhiệt độ cao trong điều kiện yếm khí Phần lớn các vết rỗng - nứt vi mạch, đều có tính hấp phụ rất mạnh và chúng đóng vai trò các rãnh chuyển tải (kẽ nối) Than hoạt tính thường được tự nâng cấp (ví dụ, tự rửa tro hoặc các hóa chất tráng mặt), để lưu giữ lại được những thuộc tính lọc hút, để có thể thấm hút được các thành phần đặc biệt như kim loại nặng

Thuộc tính làm tăng ý nghĩa của than hoạt tính còn ở phương diện nó là chất

không độc (kể cả một khi đã ăn phải nó) Than hoạt tính (Activated Carbon) được

tạo từ gỗ và than đá thường có giá thành thấp, từ xơ dừa, vỏ trái cây thì giá thành cao

và chất lượng hơn Than hoạt tính có thể được chế tạo bằng nhiều nguyên liệu khác nhau như: tre xanh, gáo dừa, vỏ đậu phộng (lạc), than đá, … qua nhiều công đoạn để cho ra nhiều sản phẩm than hoạt tính dạng mịn hoặc thô.Tuy có rất nhiều loại nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính, nhưng gáo dừa khô có khá nhiều tại các tỉnh miền Tây Việt Nam đặc biệt là tỉnh Bến Tre được xem là loại nguyên liệu sản xuất ra than hoạt

tính có chất lượng tốt nhất và giá thành rẻ nhất

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Trong thời kỳ công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, việc bảo vệ môi trường

và tiết kiệm năng lượng đã và đang rất được chú trọng Môi trường chịu ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố như phát thải khí nhà kính, phá rừng và ô nhiễm đất, đại dương

và khí quyển…Bên cạnh đó, hầu hết môi chất lạnh trong hệ thống lạnh được sử dụng

hiện nay như CFC, HCFC, HFC góp phần rất lớn làm suy giảm tầng ozon của trái đất, biến đổi khí hậu toàn cầu và dẫn đến hiệu ứng nhà kính làm cho nhiệt độ khí quyển tăng lên

Do các vấn đề sinh thái và cuộc khủng hoảng năng lượng trên thế giới, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng khác để bổ sung vào nguồn năng lượng truyền thống đang thực sự được các nhà khoa học quan tâm Bên cạnh đó việc sử dụng các nguồn năng lượng hiệu quả cũng là một vấn đề cấp bách cần được giải quyết

Trong lĩnh vực cụ thể về thiết bị làm mát, điều hòa không khí thông thường sử dụng một lượng điện lớn, nguồn gốc chủ yếu là hóa thạch từ các nhà máy phát điện Các công nghệ khác sử dụng ít điện năng, mặc dù không được sử dụng rộng rãi, (ví

dụ như thiết bị làm lạnh hấp thụ) sử dụng chất làm lạnh có chứa thành phần gây hại tầng ozon, do đó nên được loại ra Là một ứng cử viên sáng giá đầy hứa hẹn để thay thế cho cả máy lạnh thông thường và máy lạnh hấp thụ, một công nghệ ngày càng được nghiên cứu đó là máy lạnh hấp phụ Sử dụng môi chất lạnh không có bơm dung dịch mà nó chỉ có lực dẫn động

Ngày nay, máy lạnh hấp phụ dùng trong kỹ thuật lạnh nói chung và điều hòa không khí nói riêng đã và đang được nghiên cứu để có thể triển khai rộng rãi ra thực

tế Việc nghiên cứu máy lạnh hấp phụ không chỉ là đáp ứng nhu cầu làm lạnh mà còn

là phương án nhằm giải quyết bài toán năng lượng đang nóng dần lên trên toàn thế giới Một trong những chủ đề chính vẫn đang nghiên cứu là chất có khả năng làm lạnh tốt hơn, cũng được gọi là chất bị hấp phụ để sử dụng trong quá trình làm lạnh hấp phụ Máy lạnh hấp phụ sử dụng rất nhiều cặp môi chất khác nhau như: than hoạt tính - methanol, than hoạt tính - ethanol, than hoạt tính - NH3, Silicagel - nước, Calcium Chloride - ammoniac, Zeolite - nước, zeolite - ethanol… Việc tìm kiếm cặp môi chất làm việc nào là thật sự hiệu quả và ứng dụng được cho điều kiện khí hậu ở Việt Nam vẫn đang được các nhà nghiên cứu và các trường đại học trong cả nước tiến hành thử nghiệm, cải tiến và sửa chữa

Sự hấp phụ làm ra nước đá có thể được sử dụng để lưu trữ thực phẩm mau hỏng, trái cây, thuốc Sự hấp phụ môi chất lạnh sử dụng bởi các nguồn nhiệt cấp thấp như năng lượng mặt trời, ô tô, nhiệt thải công nghiệp

Nắm bắt được hướng phát triển của máy lạnh hấp phụ, các nhà khoa học đã có nhiều công trình nghiên cứu và đưa ra nhiều kết luận ý nghĩa, nhưng vẫn còn hạn chế

Đó là dữ liệu cơ sở rất quan trọng để tiếp tục nghiên cứu về đặc tính cũng như khả năng hấp phụ của cặp môi chất lạnh

Để giải quyết vấn đề này, một hướng nghiên cứu được đặt ra là chế tạo máy lạnh sử dụng nguồn năng lượng có nhiệt độ thấp để thay thế cho máy lạnh truyền thống dùng điện năng như hiện nay Nhờ đó, chúng ta đã giải quyết được vấn đề về năng lượng đặt ra Đồng thời, chúng ta cũng giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường, nghĩa là giảm lượng CO2 trong khí thải và fluorocarbon trong hệ thống lạnh

đáng kể nhằm hạn chế ảnh hưởng đến môi trường Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế

tạo mô hình máy lạnh hấp phụ sử dụng cặp môi chất Than hoạt tính - R134a”

được tiến hành và so sánh bằng thực nghiệm là cần thiết

1.4 Mục tiêu nghiên cứu

Thiết kế và chế tạo được mô hình thực nghiệm về máy lạnh hấp phụ kiểu gián đoạn sử dụng cặp môi chất than hoạt tính - R134a

Làm lạnh 2 lít nước từ 25℃ xuống 10℃ trong thời gian 1800 giây bằng mô hình thực nghiệm đã chế tạo

1.5 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là máy lạnh hấp phụ kiểu gián đoạn sử dụng cặp môi chất Than hoạt tính - R134a

1.6 Phạm vi nghiên cứu

Chế tạo mô hình máy lạnh hấp phụ kiểu gián đoạn làm lạnh 2 lít nước từ nhiệt

độ 25℃ xuống 10℃ với nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp 90℃ với áp suất trong khoảng

3 - 6 bar trong khoảng thời gian là 1800 giây

1.7 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết để thiết kế, chế tạo mô hình máy lạnh hấp phụ kiểu gián đoạn sử dụng môi chất Than hoạt tính - R134a

Kết hợp lý thuyết với thực nghiệm để xây dựng mô hình máy lạnh hấp phụ có thể ứng dụng được trong thực tiễn

1.8 Nội dung nghiên cứu

Dựa vào kết quả của các bài báo quốc tế SCI, SCIE, hay EI để tổng quan kết

quả các nghiên cứu liên quan đến đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình

máy lạnh hấp phụ sử dụng cặp môi chất Than hoạt tính - R134a” Đề tài chủ yếu

nghiên cứu về máy lạnh hấp phụ, môi chất được sử dụng là Than hoạt tính - R134a

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Chu trình hấp phụ môi chất lạnh cơ bản

Chu trình hấp phụ môi chất lạnh không sử dụng cơ năng mà sử dụng nhiệt năng (khí đốt, dầu đốt, năng lượng mặt trời, …) Hệ thống lạnh hấp phụ làm việc tương tự như hệ thống lạnh nén hơi nhưng ở đây sử dụng máy nén nhiệt hoạt động tại nhiệt đầu vào thay vì máy nén thông thường Do đó đã bỏ được điện năng cần thiết cho quá trình cơ học

Các thiết bị chính của một hệ thống hấp phụ gồm:

1 Máy nén nhiệt cho hấp phụ hoặc giải hấp môi chất lạnh

2 Thiết bị ngưng tụ

3 Van tiết lưu

4 Thiết bị bay hơi

Hình 2.1 Đồ thị P-T cho chu trình hấp phụ cơ bản (theo đồ thị Clapeyron) [23]

Một chu trình hấp phụ cơ bản bao gồm 4 bước:

1 Gia nhiệt và tăng áp

2 Gia nhiệt, giải hấp và ngưng tụ

3 Làm mát và giảm áp

4 Làm mát, hấp phụ và bay hơi

2.2 Nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp phụ

Hệ thống làm lạnh hấp phụ cơ bản bao gồm hai bình thông nhau, một bình chứa cặp chất hấp phụ/môi chất lạnh (bình hấp phụ) và bình thứ hai chỉ chứa môi chất lạnh (bay hơi - ngưng tụ) Cả hai bình ban đầu đều ở áp suất và nhiệt độ thấp với nồng độ chất làm lạnh cao trong chất hấp phụ

Bước đầu tiên tăng nhiệt độ bình hấp phụ bằng cách sử dụng nguồn nhiệt đã chọn hoặc có sẵn: môi chất lạnh được đẩy ra khỏi chất hấp phụ trong khi áp suất của toàn bộ hệ thống tăng lên (giải hấp) (a) Hơi giải hấp được ngưng tụ trong bình ngưng

tụ - bay hơi nhờ giải nhiệt (b) Khi bình hấp phụ đã đạt đến nồng độ chất làm lạnh tối thiểu mong muốn (c), sau đó nó sẽ được làm mát đến nhiệt độ ban đầu và tái hấp phụ môi chất lạnh, giảm áp (hấp phụ) Áp suất thấp gây ra môi chất lạnh lỏng chứa trong bình ngưng tụ - bay hơi sôi, hấp thu nhiệt và do đó tạo ra hiệu quả làm mát cần thiết (d) Chu trình làm lạnh hấp phụ cơ bản là không liên tục và sản lượng lạnh diễn ra chỉ trong một chu kì [24]

Hình 2.2 Nguyên lý công nghệ làm lạnh hấp phụ [24]

2.3 Hấp phụ đẳng nhiệt

Hấp phụ đẳng nhiệt là phương trình được sử dụng để tính toán là có bao nhiêu chất bị hấp phụ được hấp thu trên bề mặt của một vật liệu hấp phụ Nếu sự hấp phụ xảy ra phụ thuộc vào vật liệu, áp suất, nhiệt độ giữa các thông số khác

2.3.1 Phương trình Langmuir

Lý thuyết Langmuir [25] là thuyết phát triển hấp phụ đẳng nhiệt đầu tiên và vẫn giữ một vị trí quan trọng trong hấp phụ vật lý cũng như hấp phụ hóa học Phương trình đẳng nhiệt Langmuir được dựa trên một điểm động học của các quan điểm và nguyên tắc hấp phụ cân bằng động mà tại đó các tỷ lệ hấp phụ bằng với tỷ lệ giải hấp Hơn nữa, mô hình Langmuir ban đầu được phát triển để miêu tả cho trạng thái của hấp phụ đơn lớp Phương trình đẳng nhiệt này cũng đã được xây dựng cho quá trình hấp phụ đa lớp

n - số đặt trên bề mặt

𝛼𝑖 và 𝑊𝑜𝑖 - các thông số phụ thuộc vào nhiệt độ

Phương trình Langmuir 3 lớp đã được sử dụng rộng rãi trong lý thuyết Thông số 𝑊𝑜𝑖

và 𝛼𝑖 được xác định theo phương trình sau:

𝑊𝑜𝑖 = ∑𝛼𝑗,𝑖

𝑇𝑗 𝑗=3

2.3.2 Phương trình Toth

Phương trình này [25] là phù hợp cho các hệ thống với phạm vi chất đơn lớp

và có giới hạn chính xác khi P gần như bằng không hoặc vô cùng Phương trình Toth

có thể được viết như sau:

Giá trị lý tưởng đã được tìm ra cho 𝛽 là 10−8 và 𝜏 là 1,07

Khi 𝜏 = 1 thì phương trình đẳng nhiệt Toth trở thành phương trình đẳng nhiệt Langmuir

Tham số n = 2 lần đầu tiên đã được đề xuất bời Dubinin and Radushkevich và phương trình kết quả hấp phụ được gọi là Dubinin - Radushkevich phương trình (D - R) Một trong những mô hình cân bằng hấp phụ chủ yếu là phương trình Dubinin-Astakhov (D - A) Phương trình này được giới thiệu vào năm 1971 dưới dạng một dạng tổng quát của phương trình (D - R) Phương trình (D - A) đã được phát triển chủ yếu để mô tả sự hấp phụ các chất khí trong các chất hấp phụ microporus đặc biệt thích hợp cho than hoạt tính với độ không đồng đều lớn Mô hình này được biết là tốt hơn

so với các mô hình khác do tính chất nhiệt động học Theo mô hình (D - A), lượng hấp thu W được thể hiện như sau:

độ khối lượng chất bị hấp phụ như sau:

𝑋𝑜 - tỷ lệ nồng độ tối đa có thể của chất bị hấp phụ (kg/kg)

Một phương trình đơn giản của trạng thái hấp phụ đã được đề xuất bởi Critoph Phương trình này là một dạng biến đổi của phương trình (D - A) và có một phạm vi ứng dụng rộng rãi trong tài liệu Đặc tính tổng thể của hệ thống hấp phụ sẽ không bị ảnh hưởng nhiều nếu giả sử chất làm lạnh hoạt động như một khí lý tưởng Trong trường hợp này, nồng độ có thể được tính từ phương trình (D - A) được sửa đổi Phương trình hấp phụ trạng thái này có dạng sau:

2.4 Thông số ảnh hưởng COP

Hiệu suất của máy lạnh hấp phụ phụ thuộc chủ yếu và cặp môi chất được sử dụng

Các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của máy làm lạnh hấp phụ tất nhiên rất nhiều nhưng có một vài ảnh hưởng đến hiệu suất là cao hơn so với những cái khác

Đó là thời gian chuyển đổi, thời gian chu trình và nhiệt độ hoạt động

2.4.1 Thời gian chuyển đổi

Hai phương pháp có thể sử dụng đó là thiết lập thời gian hoặc dùng van áp lực tương đương Phương pháp chung sử dụng phổ biến nhất là thiết lập thời gian

Giai đoạn chuyển đổi là cần thiết trong chu trình hấp phụ Thay vì chỉ cần chuyển đổi sau thời gian chu trình khoảng thời gian cách ly, điều kiện gần như không thay đổi là cần thiết Điều này là do nếu mở ngay lập tức các van đối diện với những van mở trong các chu trình trước sẽ xảy ra tổn thất áp suất trong bình nóng như áp suất trong thiết bị bay hơi sẽ thấp hơn nhiều

Điều này sẽ chuyển thành giải hấp nhất thời của môi chất lạnh hấp phụ và giảm không mong muốn công suất làm mát tức thời Nói chung, nếu thời gian chuyển đổi ngắn với nước lạnh khi ra khỏi thiết bị bay hơi là ở nhiệt độ cao hơn sau khi chuyển đổi và khả năng làm mát thấp Nếu thời gian chuyển đổi là quá dài, khả năng làm mát trung bình của máy hấp phụ đi xuống do tăng thời gian chờ trong toàn chu trình

Sử dụng van áp lực tương đương, để tối đa hóa thời gian chuyển đổi Tuy nhiên phương pháp này tốn kém hơn

2.4.2 Thời gian chu trình

Trong suốt thời gian chu trình môi chất lạnh được chuyển từ bình này sang bình khác Sau một thời điểm nhất định trên bình hấp phụ trở nên bão hoà và tác dụng làm mát giảm Tuy nhiên, COP tăng khi thời gian chu trình tăng Điều này là do nhiệt

độ nước nóng đầu vào gần như nhiệt độ nước nóng đầu ra, trong khi chênh lệch nhiệt

độ nước lạnh không thay đổi nhiều như chênh lệch nước nóng

2.4.3 Nhiệt độ hoạt động

Tác động lớn nhất lên chỉ số COP là độ chênh nhiệt độ đầu vào giữa nhiệt độ gia nhiệt đầu vào bình hấp phụ/giải hấp và nhiệt độ làm mát đầu vào bình ngưng tụ / bay hơi

Nguồn nhiệt có nhiệt độ cao và nhiệt độ làm mát thấp dẫn đến tỷ lệ giải hấp cao và tỷ lệ hấp phụ cao Nhiệt được lấy ra nhanh hơn và công suất làm mát cao hơn

Bảng 2.1: Thông số ảnh hưởng COP

Tác giả Cặp môi

chất

Nhiệt độ nước nóng (℃)

Nhiệt độ nước làm mát

COP

Thời gian chuyển đổi (s)

Thời gian chu trình (s)

27 - 35

45 - 53 760 Q.W Pan

- nước

để sử dụng trong máy lạnh hấp phụ và các giải thích của chúng có thể được liệt kê dưới đây:

 Khả năng tương thích tốt với chất bị hấp phụ

 Diện tích bề mặt cao khi diện tích bề mặt lớn hơn, tăng bề mặt hấp phụ

 Khả năng hấp phụ cao: phụ thuộc vào sự tương tác với chất bị hấp phụ

 Phản ứng nhanh về khả năng hấp phụ để thay đổi nhiệt độ: sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình vận hành của máy lạnh hấp phụ là một tham số quan trọng

 Hệ số dẫn nhiệt cao: nhiệt truyền dọc theo bình phụ thuộc vào độ dẫn của chất hấp phụ

 Sự khuếch tán khối lượng cao: sự khuếch tán chất bị hấp phụ qua các lỗ hấp của chất hấp phụ phải cao để đạt được công suất cao trong hệ thống

 Sự ổn định nhiệt độ: độ bền của vật liệu rất quan trọng do sử dụng hệ thống lâu dài

Thêm vào đó các tính chất cấu trúc của chất hấp phụ như tính chất của vật liệu

và kích thước lỗ là một tham số đáng chú ý nên được xem xét

Các chất hấp phụ có thể được phân loại thành ba nhóm: theo cấu trúc của chúng, theo kích thước của các lỗ bên trong và theo bản chất của bề mặt của chúng

Theo đặc tính cấu trúc:

- Chất hấp phụ vô định hình: Chúng có diện tích bề mặt cụ thể trong khoảng 200 -

1000 𝑚2/𝑔 Sự phân bố kích thước lỗ có thể rất rộng

- Chất hấp phụ tinh thể: Kích thước của lỗ nhỏ được xác định bởi khung tinh thể Các tinh thể nói chung khá nhỏ và chúng được kết hợp với chất kết dính phù hợp Theo kích thước lỗ:

- Microporous: chất hấp phụ có lỗ xốp có đường kính nhỏ hơn 20 Å

- Mesoporous: chất hấp phụ có lỗ xốp có đường kính từ 20 Å đến 500 Å

- Macroporous: chất hấp phụ có lỗ xốp có đường kính lớn hơn 500 Å

Hình 2.3 và 2.4 cho thấy các kích thước macro, meso và micro của một hạt xốp để minh họa kích thước của các lỗ

Hình 2.3 Sơ đồ biểu diễn cấu trúc lỗ của vật liệu hấp phụ [25]

Hình 2.4 Minh họa cấu trúc lỗ xốp

Than hoạt tính và sợi than hoạt tính

Những thông số của than hoạt tính [28]

- Kích thước, thể tích lỗ xốp và diện tích bề mặt riêng

Kích thước của lỗ xốp được tính bằng khoảng cách giữa hai cạnh của rãnh hoặc đường kính của ống xốp Theo tiêu chuẩn của IUPAC thì kích thước lỗ xốp được chia

ra làm ba loại: micro pore có kích thước bé hơn 2 nm, meso pore có kích thước từ

2-50 nm và macro pore có kích thước từ 2-50 nm trở lên

Diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính được đo bằng m²/g và là một thông số hết sức quan trọng đối với than, cho biết khả năng hấp phụ của than hoạt tính 95% diện tích bề mặt riêng của than là diện tích của những lỗ xốp micro Những lỗ xốp meso có diện tích bề mặt chiếm không quá 5% tổng diện tích bề mặt của than Những

lỗ xốp kích thước lớn không có nhiều ý nghĩa trong hoạt tính của than vì diện tích bề mặt riêng của chúng không đáng kể

- Chỉ số iot

Đây là một chỉ số cơ bản của than hoạt tính đặc trưng cho diện tích bề mặt của lỗ xốp cũng như khả năng hấp phụ của than Chỉ số iot được tính bằng khối lượng iot có thể được hấp phụ bởi một đơn vị khối lượng của than.(mg/g) Nguyên lý của phương pháp đo dựa trên sự hấp phụ lớp đơn phân tử iot trên bề mặt của than Chỉ số iot càng lớn thì mức độ hoạt hóa càng cao Giá trị của chỉ số iot rơi vào khoảng 500–

1200 mg/g Từ giá trị của chỉ số iot có thể tính ra được diện tích bề mặt riêng của than

- Độ cứng

Là khả năng chống chịu mài mòn của than hoạt tính Đây là một thông số quan trọng bởi vì trong quá trình sử dụng, than hoạt tính còn phải chịu những tác động vật lý như: bị đặt dưới dòng chảy lỏng hoặc khí, dưới tác động của áp suất, do đó than cần phải đảm bảo được những yếu tố về độ cứng nhằm giữ được nguyên vẹn cấu trúc trong quá trình sử dụng và phục hồi Độ cứng của than phụ thuộc rất nhiều vào nguyên liệu đầu vào cũng như mức độ quá trình hoạt hóa

Phân bố kích thước hạt

Kích thước hạt ảnh hưởng lớn đến khả năng tiếp cận của chất được hấp phụ tới

bề mặt của than Kích thước càng nhỏ thì khả năng tiếp cập càng dễ và quá trình hấp phụ diễn ra càng nhanh Đây cũng là lý do đề tài này sử dụng than hoạt tính có kích thước 4-8 mech (kích thước hạt lớn trong số các loại than hoạt tính gáo dừa), nên tác giả chọn loại than có kích thước hạt 4-8 mech làm chất hấp phụ trong mô hình này

Than hoạt tính được sản xuất thông qua việc hoạt hóa các loại vật liệu cacbon như than đá, gỗ, vỏ dừa, dầu hóa thạch, xương, than bùn và các polyme cao

Diện tích bề mặt của vật liệu hấp phụ này là khoảng 3140 𝑚2/𝑔 Vì nó có độ xốp cao và có tính dẫn nhiệt tốt, nó là một trong những vật liệu hấp phụ tốt nhất hiện

có trên thị trường hiện nay Trở ngại là có giá thành cao và nó không làm việc cũng như kết hợp với hơi nước (như chất làm lạnh)

Cũng trong tài liệu [27] than hoạt tính được hợp thành từ nhiều vòng cacbon Nguyên liệu cacbon ban đầu và được đặt vào quy trình hoạt hóa áp dụng xác định các nhóm chức năng trên bề mặt của than hoạt tính và hiệu suất hấp phụ bị ảnh hưởng bởi các nhóm chức năng được nối với mạch vòng carboatomic Nhóm Arene nối với mạch vòng làm tăng sự hấp phụ, trong khi nhóm sulfonic làm giảm nó

Kỹ thuật và phương pháp hoạt hóa và cũng xác định cấu trúc xốp 3 dạng (cấu trúc macroporous, microporous, mesoporous) Tuy nhiên, than hoạt hóa chủ yếu có cấu trúc microporous Chất hấp phụ này có ở các dạng khác nhau như dạng bột, hạt, phân tử và các sợi cacbon Cấu trúc của than hoạt tính gần giống với cấu trúc graphite

Hình 2.6 Than hoạt tính nhìn dưới kính hiển vi [29]

Đặc điểm bề mặt của nó phân biệt than hoạt tính từ các chất hấp phụ khác Toàn

bộ bề mặt của than hoạt tính được phủ bởi một lớp lưới oxit và một số chất vô cơ (Zhong và Critoph 2005) Đặc tính bề mặt độc đáo khác của than hoạt tính ngược với các chất hấp phụ khác chính là bề mặt của nó không phân cực hoặc chỉ phân cực nhẹ

do bề mặt các nhóm oxit và tạp chất vô cơ Diện tích bề mặt trung bình của than hoạt tính xấp xỉ 1000𝑚2/𝑔 Nhiệt hấp phụ của các cặp than hoạt tính thấp hơn các chất khác

Hình 2.7 Than hoạt tính từ gáo dừa [30]

Bởi vì bề mặt bên trong rộng lớn, có thể đạt được và thể tích lỗ lớn, than hữu cơ hấp phụ nhiều phân tử hữu cơ không phân cực và phân cực yếu hơn các chất hấp phụ khác Ví dụ, lượng metan được hấp phụ bởi than hoạt tính ở nhiệt độ phòng và áp suất 1 atm là xấp xỉ hai lần được hấp phụ bởi cân bằng khối lượng của phân tử 5A Nhiệt độ hấp phụ, hoặc độ bền liên kết, nhìn chung thấp hơn đối với than hoạt tính so với các chất hấp phụ khác

Mặc dù than hoạt tính có cấu trúc không phân cực; nó không phải là chất hấp phụ kị nước Sự hấp phụ hơi nước trên than hoạt tính được thực hiện theo kiểu V với đường cong hình sigma hoặc hình chữ S

Sợi hoạt tính cacbon (ACF) là một loại carbon hoạt tính có khả năng hấp phụ cao hơn Các sợi tổng hợp như polyacrylonitrile (PAN), than đá, nhựa phenolic và sợi tơ visco nhân tạo được cacbon hóa ở nhiệt độ cao trong môi trường yếm khí và sợi than hoạt tính được chuẩn bị cẩn thận (Hamamoto và cộng sự 2006) Các sợi cacbon này có độ bền kéo cao, tính đàn hồi cao và chứa nhiều graphite hơn than hoạt tính bởi vì mesophase thường được hình thành trong quá trình cacbon hoá của các sợi

Tốc độ hấp phụ của than hoạt tính dạng sợi cũng cao hơn tốc độ hấp phụ của than hoạt tính dạng hạt Điều này được cho là do diện tích bề mặt bên ngoài là 0,5

m2/g của sợi than hoạt tính là cao hơn của bề mặt hạt than hoạt tính Hình 2.8 minh hoạ sự khác biệt cấu trúc xốp giữa hai loại than hoạt tính này Diện tích mặt ngoài

của hạt là 0,01 m2/g Các lỗ nhỏ được phơi ra trên bề mặt của sợi Do đó, hơi môi chất lạnh hấp phụ dễ dàng

a Than hoạt tính dạng sợi b Than hoạt tính dạng hạt

Hình 2.8 Sơ đồ tổng quát về than hoạt tính dạng sợi và dạng hạt

Một số đặc tính cấu trúc và nhiệt vật lý cho bốn loại than hoạt tính khác nhau được nêu trong bảng 2.2 Mỗi loại than hoạt tính có đặc tính tốt hơn cho các trường hợp khác nhau Ví dụ than nguyên khối có nhiệt dung riêng cao hơn các loại khác, trong khi ACX21 có diện tích bề mặt cao hơn nhiều so với các loại khác Việc lựa chọn đúng loại than hoạt tính phải chọn theo các thông số và yêu cầu của máy lạnh hấp phụ

Bảng 2.2: Cấu trúc và tính chất nhiệt vật lý của các loại than hoạt tính [26]

khối

Diện tích bề

mặt (m 2 /g)

ACX21: 3000 (Yaping và

Li 1996)

700 - 1500 (Hamamoto và cộng sự 2006)

~ 250 (Hamamoto

và cộng sự 2006)

-

Diện tích bề

895 (TamainotTelto

và cộng sự 2009)

-

ACF15: 900 ACF20: 1610 ACF25: 2420 (Cal

và cộng sự 1994)

và cộng sự 2009)

và cộng sự 2009)

1.2 -3.5 (Hamamoto và cộng sự 2006)

ACFA20:

2.160 ACFA15:

2.175 (El-Sharkawy

2000 (Hassan

366 - 500 (TamainotTelto

và cộng sự 2009)

104-384 (TamainotTelto

và cộng sự 2009)

773 - 750 (Zhong và Critoph 2005) LM127: 750

và cộng sự 2011)

466 - 500 (Zhong và Critoph 2005)

LM128: 715 (Tamainot-Telto

và Critoph 2001)

Nhiệt dung

riêng (kJ/kgK)

920 (Yang 2003)

711 (Hassan

và cộng sự 2011)

6500 (Demir và

8000 (TamainotTelto

và Critoph 2001)

Hệ số dẫn

nhiệt W/mK

1.6 (Hassan và cộng sự 2011)

0.1 (Zhong và Critoph 2005) 0.16 (TamainotTelto

và Critoph 2001)

ACF15: 0.104 (Cal

và cộng sự 1994)

0.27-0.34 (Zhong và Critoph 2005) 0.40 (Demir và cộng sự 2006)

LM 127: 0.44 LM128: 0.35 (Tamainot-Telto

và Critoph 2001)

Loại đẳng

Dựa trên một số ưu điểm của các loại than hoạt tính thì loại được sử dụng trong

mô hình thực nghiệm này là than hoạt tính gáo dừa Các thông số đặc tính của loại than này được trình bày trong bảng 2.3

Bảng 2.3: Thông số kết quả thử nghiệm mẫu than hoạt tính công ty COCOAC

2.6.1 Các yêu cầu phù hợp cho môi chất

 Khả năng hấp phụ tốt, kích thước phân tử nên nhỏ

 Nhiệt ẩn hóa hơi cao trên một đơn vị thể tích

 Áp suất bão hòa thấp

 Không ảnh hưởng đến môi trường

Bảng 2.6: Đặc tính nhiệt vật lý của một số chất bị hấp phụ phổ biến [26]

Môi chất

Công thức hóa

học

Nhiệt độ sôi (℃)

Nhiệt độ đông đặc (℃)

Khối lượng phân tử (g/mol)

Nhiệt ẩn hóa hơi (kJ/kg)

Khối lượng riêng 𝜌 (kg/m 3 )

Nhiệt dung riêng (kJ/kgK)

Hệ số dẫn nhiệt (W/mK)

Bảng 2.7: Đặc tính hóa học và vật lý của Nước

2.6.3 Ethanol

Ethanol có nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nước Do thực tế này,

nó có khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn các ứng dụng nơi mà nước có thể không thể sử dụng được

Bảng 2.8: Đặc tính hóa học và vật lý của Ethanol

R134a tuy là môi chất có chỉ số ấm lên toàn cầu cao nhưng bù lại khả năng bị hấp phụ của nó với than hoạt tính khá là cao lên đến 2g R134a trên 1g than hoạt tính, cao hơn hẳn so với các cặp chất hâp phụ khác Vì vậy có thể tạm thời bỏ qua chỉ số

ấm lên toàn cầu của môi chất R134a và sử dụng nó trong mô hình thực nghiệm này