TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010<br />
<br />
<br />
<br />
LÀM LẠNH GIÁN ĐOẠN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI<br />
INTERMITTENT SOLAR-POWERED REFRIGERATION UNITS<br />
<br />
<br />
Phan Quang Xưng Nguyễn Quốc Long<br />
Đại học Đà Nẵng Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế<br />
<br />
<br />
TÓM TẮT<br />
Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng sạch và tiềm năng nhất đang được<br />
loài người thực sự đặc biệt quan tâm. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử<br />
dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự.<br />
Song trong điều kiện thực tiễn, các thiết bị sử dụng NLMT lại có quá trình làm việc không ổn<br />
định và không liên tục, hoàn toàn biến động theo thời tiết. Chính vì vậy trong bài báo này trình<br />
bày kết quả nghiên cứu, chế tạo mô hình máy lạnh sử dụng năng lượng mặt trời với cặp môi<br />
chất là CaCl2 và NH3.<br />
ABSTRACT<br />
Solar energy is a potential resource for future energy supply because it is not only<br />
clean, but also a remarkable abundance. Therefore, research on this energy increases the<br />
efficiency of solar energy units and implementing it in practical applications are burning issues.<br />
However, in real conditions, solar energy units are unstable, intermittent and changeable<br />
depending on the weather. For this reason, this article presents the research result in making<br />
the solar-powered intermittent refrigeration unit model with a pair of substances: CaCl2 and NH3.<br />
<br />
<br />
1. Đặt vấn đề<br />
Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân,<br />
năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và NLMT là một trong những hướng quan trọng<br />
trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với những nước phát triển mà<br />
ngay cả với những nước đang phát triển. Do đó, nghiên cứu, chế tạo máy lạnh sử dụng<br />
trực tiếp nguồn NLMT không gây ô nhiểm môi trường, giảm phát thải CO2 và không có<br />
chất CFC gây phá huỷ tầng ôzôn có giá thành phù hợp là cần thiết trong giai đoạn hiện<br />
nay khi mà giá nhiên liệu hóa thạch không ngừng tăng cao. Trong bài báo này trình bày<br />
kết quả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thực nghiệm mẫu máy lạnh sử dụng NLMT với<br />
cặp môi chất CaCl2/NH3, thiết bị này có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như:<br />
làm đá, bảo quản thực phẩm và điều hòa không khí.<br />
2. Hệ thống máy lạnh dùng trong điều hòa không khí<br />
2.1. Mô tả và nguyên lý làm việc của hệ thống<br />
Hệ thống máy lạnh dùng NLMT bao gồm thiết bị hấp thụ năng lượng bức xạ<br />
mặt trời, trong đó có chứa CaCl2, thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí đối lưu tự<br />
nhiên và thiết bị bay hơi thiết kế để làm lạnh nước, nước được chứa trong bình và được<br />
332<br />
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010<br />
<br />
bơm cấp đi đến dàn trao đổi nhiệt. Ngoài ra còn có van chặn bình chứa môi chất lỏng và<br />
van tiết lưu. Máy lạnh NLMT thường làm việc theo kiểu gián đoạn.<br />
Vào ban ngày khi collector nhận năng lượng mặt trời ta phải mở van chặn 3,<br />
đóng van chặn 2, 6 và van tiết lưu 7. Trong giai đoạn này, dưới tác động của các tia bức<br />
xạ mặt trời, tác nhân lạnh sẽ bốc hơi khỏi CaCl2 và được ngưng tụ trong thiết bị ngưng<br />
tụ và chứa tại bình chứa. Vào cuối giai đoạn tích trử tác nhân lạnh, van chặn nên được<br />
đóng lại.<br />
Vào ban đêm xảy ra quá trình làm lạnh, khi nhiệt độ của collector giảm, CaCl2<br />
làm nhiệm vụ hấp thụ môi chất lạnh NH3, áp suất môi chất trong hệ thống giảm xuống,<br />
khi áp suất đạt đến áp suất bay hơi thì mở van tiết lưu. Môi chất lạnh sẽ được tiết lưu<br />
vào thiết bị bay hơi, thu nhiệt sản phẩm và bay hơi, hơi môi chất được CaCl2 hấp thụ.<br />
Trong giai đoạn này cần chú ý để thiết bị hấp thụ được giải nhiệt dễ dàng vì đây là quá<br />
trình sinh nhiệt.<br />
<br />
<br />
<br />
3<br />
<br />
<br />
1 4<br />
2<br />
<br />
5<br />
8<br />
7<br />
6<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp phụ sử dụng năng lượng mặt trời<br />
1-collector; 2,3,6-van chặn; 4-thiết bị ngưng tụ; 5-bình chứa;7-van tiết lưu; 8-dàn bay hơi<br />
<br />
2.2. Mô tả các quá trình làm việc<br />
Quá trình làm việc của hệ thống có thể trình bày trên đồ thị p, T hình 2.<br />
<br />
<br />
P<br />
<br />
<br />
Pk<br />
2 3<br />
<br />
<br />
1 4<br />
Po<br />
<br />
<br />
<br />
Ta2 Ta1 Tg1 Tg2 T<br />
Hình 2. Các quá trình nhiệt của máy lạnh hấp phụ loại gián đoạn trên đồ thị p-T<br />
<br />
Chu trình máy lạnh CaCl2/NH3 là chu trình gián đoạn (intermittent), do đó chu<br />
trình có hai quá trình:<br />
333<br />
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010<br />
<br />
Quá trình cấp nhiệt:<br />
1-2 Quá trình bộ thu hấp thụ năng lượng mặt trời, CaCl2 nhả môi chất lạnh NH3<br />
áp suất và nhiệt độ của môi chất trong hệ thống tăng lên đến giá trị pk và Tg1<br />
2-3 Quá trình ngưng tụ môi chất lạnh xảy ra, đồng thời bộ thu vẫn tiếp tục nhận<br />
bức xạ mặt trời nên môi chất lạnh vẫn tiếp tục thoát ra từ CaCl2 nên nhiệt độ môi chất<br />
tăng đến nhiệt độ Tg2, áp suất hầu như không đổi ở áp suất Pk.<br />
Quá trình giải nhiệt và làm lạnh:<br />
3-4 Quá trình giải nhiệt của bộ thu (sau khi môi chất lạnh đã ngưng tụ hết vào<br />
bình chứa) áp suất và nhiệt độ trong hệ thống giảm đến po và Ta1.<br />
4-1 Quá trình bay hơi của môi chất lạnh trong thiết bị bay hơi, hơi môi chất<br />
được CaCl2 hấp thụ hết nên áp suất hệ thống hầu như không đổi Po, nhiệt độ hơi môi<br />
chất trước lúc bị hấp thụ giảm dần đến nhiệt độ Ta2.<br />
3. Thiết kế hệ thống máy lạnh sử dụng cho điều hòa không khí<br />
Để thiết kế hệ thống máy lạnh sử dụng trong điều hòa không khí cho phòng có<br />
diện tích 3m2 thì ta tính toán thiết kế các thiết bị chính của hệ thống:<br />
Tính nhiệt thiết bị bay hơi: là tính toán diện tích của dàn bay hơi và lượng môi<br />
chất cần thiết phải nạp vào hệ thống.<br />
Sau khi tính toán lượng nhiệt thừa, ẩm thừa trong không gian điều hòa và chọn<br />
sơ đồ thẳng thì tính toán được công suất lạnh Q0 = 238,6kW.<br />
Tính lưu lượng nước bơm cấp cho dàn trao đổi nhiệt bằng công thức:<br />
Qo = m.C n .∆t , kW<br />
<br />
Trong đó:<br />
J<br />
Cn: nhiệt dung riêng của nước,<br />
kg.K<br />
∆t : hiệu nhiệt độ của nước vào ra, oC<br />
Qo: năng suất lạnh của thiết bị, W<br />
Nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho dàn bay hơi trong suốt thời gian làm việc<br />
của hệ thống:<br />
Q’ = Q0. τ, J<br />
Từ đó ta có thể suy ra lượng NH3 cần cung cấp cho hệ thống là:<br />
Q'<br />
M mc = , kg<br />
r<br />
Trong đó:<br />
r: nhiệt ẩn hoá hơi của NH3, J/kg<br />
Tính toán diện tích của dàn bay hơi được tính theo công thức:<br />
<br />
334<br />
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010<br />
<br />
Qo = F. λtd .(t w1 − t w 2 ), W<br />
δ<br />
Trong đó:<br />
<br />
λtd : hệ số dẫn nhiệt tương đương được xác định theo công thức sau: λtd = λ.ε k<br />
δ : chiều dày khe hẹp, m<br />
W<br />
λ : hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng,<br />
m.K<br />
t w1 , t w 2 : nhiệt độ lớp bề mặt chất lỏng sát bề mặt hai biên, oC<br />
ε k : hệ số đối lưu, được xác định theo công thức.<br />
30<br />
<br />
<br />
NH3 ra<br />
<br />
300<br />
<br />
NH3 vào<br />
<br />
<br />
400<br />
<br />
Hình 3. Cấu tạo dàn bay hơi<br />
Tính toán thiết bị ngưng tụ<br />
Trong tính toán thiết kế, đã chọn dàn ngưng tụ trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiện.<br />
Do đó nhiệt độ ngưng tụ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường không khí làm mát của thiết<br />
bị ngưng tụ nên phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết. Tuy nhiên hệ thống là không phải tốn<br />
thêm nguồn năng lượng để làm mát nên giảm chi phí đầu tư. Do đó hiệu nhiệt độ ngưng<br />
tụ (tk giữa môi chất lạnh ngưng tụ và không khí chọn (tK = tk - tmt= 15oC)<br />
Qk<br />
Diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ tính theo công thức: F = , [m2]<br />
k .∆t<br />
trong đó, Qk - phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ. với hệ thống này ta lấy<br />
Qk = Q0, [w]<br />
k - hệ số truyền nhiệt, W/m2.oK với k được tính theo công thức sau:<br />
1<br />
k =<br />
1 δ 1<br />
+ +<br />
α 1 λ α 2 .ε 2<br />
<br />
Trong đó:<br />
ε2 : hệ số làm cánh<br />
α1: hệ số toả nhiệt của môi chất trong ống khi ngưng, W/m2.oK<br />
<br />
335<br />
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010<br />
<br />
α2: hệ số toả nhiệt về phía không khí, W/m2.oK<br />
F - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của dàn ngưng, m2<br />
Sau khi chọn đường kính ống và chiều dài ống ta tính toán và bố trí kích thước<br />
thiết bị ngưng tụ như hình vẽ.<br />
1<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
2<br />
<br />
<br />
<br />
3<br />
900<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
50<br />
590<br />
<br />
Hình 4. Cấu tạo thiết bị ngưng tụ<br />
<br />
1. Ống góp; 2. Ống ngưng môi chất; 3. Cánh tản nhiệt<br />
<br />
<br />
<br />
Các thông số đo được khi hệ thống máy lạnh làm việc<br />
Thí nghiệm được tiến hành nhiều ngày để quan sát và đo đạc các thông số như:<br />
nhiệt độ, áp suất của hệ thống từ đó tính toán được RE và COP của hệ thống.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 5. Đồ thị quá trình thay đổi nhiệt độ của bộ thu và nhiệt độ môi trường<br />
<br />
<br />
336<br />
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 6. Đồ thị quá trình thay đổi nhiệt độ của nước, phòng lạnh, môi trường<br />
<br />
<br />
Tính hiệu suất của thiết bị:<br />
Gọi m là khối lượng nước được làm lạnh trong dàn bay hơi, nhiệt ẩn hoá hơi<br />
(ngưng tụ) của nước là r, hệ số hiệu quả làm lạnh được định nghĩa là tỷ số giữa năng<br />
lượng có ích trên năng lượng toàn phần nhận được từ mặt trời:<br />
<br />
COP = Qe = l<br />
Qe<br />
Qh<br />
A.∫ G (t )dt<br />
m<br />
<br />
Ở đây:<br />
Qe là nhiệt cần thiết cho dàn bay hơi để làm lạnh nước chứa trong thùng.<br />
Qh là tổng bức xạ mặt trời thu được từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời lặn.<br />
Sau khi đo đạc và tính toán chỉ số COP = 0,1. Mặc dù hệ số này không cao một<br />
phần do sử dụng một số vật liệu chưa thích hợp và trong quá trình đo đạc, tính toán có<br />
sai số. Để tính chính xác hơn nên dùng nhật xạ kế để đo, sau khi đo các thông số cần<br />
thiết tra trên đồ thị lgP-h từ đó tra được các thông số cần thiết.<br />
<br />
4. Kết luận<br />
Với những kiến thức còn mới về máy lạnh sử dụng NLMT, ứng dụng cơ sở lý<br />
thuyết của nó, và lý thuyết NLMT, chúng tôi đã nghiên cứu và thiết kế chế tạo máy lạnh<br />
sử dụng trong điều hòa không khí với điều kiện Việt Nam: Các nguyên vật liệu dễ kiếm<br />
như: CaCl2, NH3, dễ chế tạo hàng loạt.<br />
Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm, chúng tôi hoàn toàn có thể ứng dụng<br />
NLMT để làm lạnh với nhiều mục đích khác nhau. Thiết bị có thể chế tạo và sử dụng<br />
rộng rãi ở điều kiện Việt Nam.<br />
<br />
<br />
337<br />
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010<br />
<br />
<br />
<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
<br />
<br />
[1] Lê Chí Hiệp, Máy lạnh hấp thụ trong kỹ thuật điều hoà không khí, Nhà xuất bản<br />
Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2004.<br />
[2] Hoàng Dương Hùng, Nghiên cứu nâng cao hiệu quả của thiết bị thu năng lượng<br />
mặt trời để cấp nhiệt và điều hoà không khí, Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật, Đại học<br />
Bách khoa Đà Nẵng, 2002.<br />
[3] Võ Chí Chính, Đinh Văn Thuận, Máy và thiết bị lạnh, Nhà xuất bản Khoa học kỹ<br />
thuật, Hà Nội, 2002.<br />
[4] Nguyễn Duy Thiện, Kỹ thuật sử dụng năng lượng mặt trời, Nhà xuất bản Xây<br />
dựng, Hà Nội, 2001.<br />
[5] Catherine Hildbrand, Philippedind, Michel Pons, Plorion Buchter, A new solar<br />
powered adsorption refrigerator with high performance, Switzerland, 2002.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
338<br />