MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
ABSORPTIVE RERIGERATOR USING SOLAR ENERGY
HOÀNG DƯƠNG HÙNG
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TRẦN NGỌC LÂN
Sở Khoa học Công nghệ Quảng Trị
TÓM TẮT
Máy lạnh hấp phụ rắn đã được ứng dụng cho nhiều mục đích làm lạnh khác nhau trong thực
tế. Máy lạnh hấp phụ sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) đã và đang được nghiên cứu tại
nhiều nước trên thế giới. Việc nghiên cứu thiết kế thực nghiệm một kiểu máy lạnh hấp phụ
NLMT trong điều kiện khí hậu Việt Nam đóng vai trò rất quan trọng trong vấn đề tiết kiệm
năng lượng và bảo vệ môi trường. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế và chế
tạo thực nghiệm mẫu máy lạnh hấp phụ sử dụng NLMT với cặp môi chất là than hoạt tính và
methanol.
ABSTRACT
Solid absorption systems have been applied for cooling purposes. Absorption icemakers using
solar energy have been investigated many countries in the world. The design and
experimental research on a solar absorptive icemaker in Viet Nam climate conditions play an
important role in saving energy and protecting environment. This article presents the study,
design, and experimental manufacturing of solar absorptive refrigerator. The machine uses
activated carbon (AC)-methanol as working pair.
1. Đặt vấn đề
Tìm kiếm nguồn năng lượng tái tạo để bổ sung vào nguồn năng lượng truyền thống đang
được các nhà khoa học thực sự quan tâm.Trong tiến trình công nghiệp hoá, máy lạnh dùng
máy nén hơi đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật làm lạnh và điều hoà không khí. Tuy
nhiên, vấn đề môi trường ô nhiểm do chất làm lạnh CFC và phát thải khí nhà kính CO2 bắt
buộc các nhà khoa khọc phải tìm kiếm chu trình máy lạnh khác ít ô nhiểm hơn. Máy lạnh sử
dụng NLMT dùng pin mặt trời để vận hành máy nén hơi đã được sử dụng. Tuy nhiên giá
thành còn quá cao do đó không phù hợp với vùng sâu, xa không có điện lưới. Việc nghiên
cứu, chế tạo máy lạnh hấp phụ sử dụng trực tiếp nguồn năng lượng mặt trời không gây ô
nhiểm môi trường, giảm phát thải CO2 và không có chất CFC gây phá huỷ tầng ôzôn có giá
thành phù hợp là việc làm cần thiết trong giai đoạn hiện nay khi mà giá nhiên liệu truyền
thống không ngừng tăng cao. Trong bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế và chế
tạo thực nghiệm mẫu máy lạnh hấp phụ sử dụng NLMT với cặp than hoạt tính và methanol,
thiết bị này có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như; bảo quản thực phẩm, vaccin và
làm đá.
2. Hệ thống máy lạnh hấp phụ dùng để sản xuất nước đá
2.1. Mô tả hệ thống
Hệ thống máy lạnh hấp phụ dùng NLMT bao gồm thiết bị hấp thụ năng lượng bức xạ
mặt trời, trong đó có chứa than hoạt tính, thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí đối lưu tự
nhiên và thiết bị bay hơi thiết kế để có thể làm đá, chứa thực phẩm cần bảo quản (hình 1).
Ngoài ra còn có van chặn bình chứa môi chất lỏng và van tiết lưu. Máy lạnh hấp phụ NLMT
thường làm việc theo kiểu gián đoạn.
Vào ban ngày ta phải mở van chặn, đóng van tiết lưu. Trong giai đoạn này, dưới tác
động của các tia bức xạ mặt trời, tác nhân lạnh sẽ bốc hơi khỏi than hoạt tính và được ngưng
tụ trong thiết bị ngưng tụ và chứa tại bình chứa. Vào cuối giai đoạn tích trử tác nhân lạnh, van
chặn nên được đóng lại.
Vào ban đêm xảy ra quá
trình làm lạnh, khi nhiệt độ của hệ
thống giảm, than hoạt tính làm
nhiệm vụ hấp phụ môi chất lạnh
(methanol), áp suất môi chất trong
hệ thống giảm xuống, khi áp suất
đạt đến áp suất bay hơi thì mở van
tiết lưu. Môi chất lạnh sẽ được tiết
lưu vào thiết bị bay hơi, thu nhiệt
sản phẩm và bay hơi, hơi môi chất
được than hoạt tinh hấp phụ hết.
Trong giai đoạn này cần phải chú
ý để thiết bị hấp thụ được giải
nhiệt dễ dàng vì hấp phụ là quá
trình sinh nhiệt
2.2. Mô tả các quá trình
làm việc
Quá trình làm việc của hệ
thống có thể trình bày trên đồ thị
hình 2.
1
2
4
3
P
T
Ta1 Tg1
Ta2
Po
Pk
Tg2
Hình 2. Các quá trình nhiệt của máy lạnh hấp phụ loại gián đoạn trên đồ thị p-T
Quá trình cấp nhiệt:
1-2 Quá trình bộ thu hấp thụ năng lượng mặt trời, than hoạt tính nhả môi chất lạnh
(methanol) áp suất và nhiệt độ của môi chất trong hệ thống tăng lên đến giá trị pk và Tg1
2-3 Quá trình ngưng tụ môi chất lạnh xảy ra, đồng thời bộ thu vẫn tiếp tục nhận bức xạ mặt
trời nên môi chất lạnh vẫn tiếp tục thoát ra từ than hoạt tính nên nhiệt độ môi chất tăng đến
nhiệt độ Tg2, áp suất hầu như không đổi ở áp suất Pk.
Quá trình giải nhiệt và làm lạnh:
3-4 Quá trình giải nhiệt của bộ thu (sau khi môi chất lạnh đã ngưng tụ hết vào bình chứa) áp
suất và nhiệt độ trong hệ thống giảm đến po và Ta1.
ThiÕt bÞ bay
h¬i
B×nh chøa
ThiÕt bÞ
ngng
tô
Bøc x¹
mÆt trêi
thuthô
Van chÆn
Van tiÕt lu
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp phụ sử dụng
năng lượng mặt trời
4-1 Quá trình bay hơi của môi chất lạnh trong thiết bị bay hơi, hơi môi chất được than hoạt
tính hấp phụ hết nên áp suất hệ thống hầu như không đổi Po, nhiệt độ hơi môi chất trước lúc bị
hấp phụ giảm dần đến nhiệt độ Ta2.
3. Thiết kế hệ thống máy lạnh hấp phụ sản xuất nước đá công suất 2kg/ngày
Để thiết kế hệ thống máy lạnh sản xuất nước đá công suất 2kg/ngày thì ta tính toán
thiết kế các thiết bị chính của hệ thống:
Tính nhiệt thiết bị bay hơi: là tính toán công suất lạnh cần thiết cung cấp cho dàn bay hơi và
lượng môi chất cần thiết phải nạp vào hệ thống.
Công suất lạnh của thiết bị bay hơi được xác định bằng công thức:
Q = Q1 + Q2, [W]
Trong đó
Q1 - dòng nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che của thiết bị, [W]
Q2 - dòng nhiệt do đông đá và làm lạnh khuôn (nếu hệ thống làm đá), [W]
Vậy năng suất lạnh của hệ thống có thể xác định bằng công thức:
,
.
0
b
Qk
Q
[W]
Trong đó:
k - hệ số tính đến tổn thất trên đường
ống và thiết bị hệ thống. Hệ số này đối
với hệ thống làm lạnh trực tiếp phụ
thuộc vào nhiệt độ bay hơi của môi chất,
với t0 = -15 chọn k = 1,05.
b - hệ số thời gian làm việc. Đối với hệ
thống lạnh nhỏ chọn b = 0,7
Nhiệt lượng cần thiết để cung
cấp cho dàn bay hơi trong suốt thời gian
làm việc của hệ thống:
Q’ = Q0. , [J]
Từ đó ta có thể suy ra lượng
Methanol cần cung cấp là:
,
'
r
Q
Mmc
[kg] ; r - nhiệt ẩn
hoá hơi của Methanol, [J/kg]
Tính toán với công suất 2kg nước đá/ngày ta tính dược kích thước thiết bị bay hơi như
hình 3.
Tính toán thiết bị ngưng tụ
Nhiệt độ ngưng tụ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường làm mát của thiết bị ngưng tụ.
Mục đích của hệ thống là không phải tốn thêm nguồn năng lượng ngoài nên chọn thiết bị bay
hơi là dàn ngưng giải nhiệt bằng gió tự nhiên. Do đó hiệu nhiệt độ ngưng tụ (tk giữa môi chất
lạnh ngưng tụ và không khí chọn (tK = tk - tmt= 15oC)
Diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ tích theo công thức: , [m2]
trong đó, Qk - phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ. với hệ thống này ta lấy Qk = Q0, [w]
80
60
120 20
Láng tõ van tiÕt luu
§uêng h¬i ®Õn bé hÊp thô
PhÇn chøa nó¬c ®¸
N¾p ®Ëy
C¸ch nhiÖt
Hình 3. Cấu tạo thiết bị bay hơi
.
Q
k
F
k t
k - hệ số truyền nhiệt, chọn
k = 30 W/m2K
F - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
của dàn ngưng, [m2]
Tính toán với công suất 2kg
nước đá/ngày ta tính dược kích thước
thiết bị ngưng tụ như hình 4.
Tính toán thiết bị hấp phụ
Theo lí thuyết của Eucken và
Poljani người ta có thể tính được
đẳng nhiệt hấp phụ của hơi ở nhiệt
độ T2 nếu đã biết đẳng nhiệt hấp phụ
của một thành phần hơi bất kỳ ở
nhiệt độ T1. Đường đẳng nhiệt hấp
phụ được biểu thị trên đồ thị p-a.
Tính tung độ a:
2
1
12 V
V
aa
trong đó: a1 - tung độ của cấu tử chuẩn, thường chọn là benzen, [kg/kg than]
a2 - tung độ cấu tử cần tính, kg/kg than.
V1, V2 - thể tích mol của cấu tử chuẩn và cấu tử cần tính, [m3/kmol]
Tính hoành độ p
Hoành độ p được tính theo công thức
1
1_
2
1
2_2 lglglg p
p
T
T
pp S
aS
trong đó, p1, p2 - hoành độ của các điểm có áp suất của cấu tử chuẩn và cấu tử cần tính,
[mmHg]
pS-1 - áp suất hơi bão hoà của cấu tử benzen ở nhiệt độ T1, [mmHg]
ta có pS-1 = 75mmHg
pS-2 - áp suất hơi bão hoà của cấu tử cần tính ở nhiệt độ T2, [mmHg]
lgp = a0 + a1.(T-1 - (7,9151-2,6726.lgT).10-3 -8,625.10-7.T), [Pa]
T - nhiệt độ của metanol, 0K.
a0 = 9,1716 và a1 = -2,7596.103
T1 - nhiệt độ hấp phụ của benzen, K. Chọn T1 = 200C = 293K.
T2 - nhiệt độ hấp phụ của metanol, K. Chọn T2 = 300C = 303K.
Từ tính toán ta vẽ được đường hấp phụ đẳng nhiệt của than hoạt tính đối với Methanol
và từ đường hấp phụ đẳng nhiệt này ta cũng tính được lượng than hoạt tính bằng cách tính áp
suất bay hơi của Methanol rồi căn cứ vào đồ thị đường hấp phụ để có được hoạt độ tĩnh a của
Methanol.
Và lượng than cần thiết để hấp phụ hết môi chất Methanol là:
a
M
MMC
than
, [kg]
700
690
50
C¸nh t¶n nhiÖt
èng gãp
èng ngung m«i chÊt
Hình 4. Thiết bị ngưng tụ đối lưu tự nhiên
Với công suất thiết bị là 2kg nước đá trong một ngày, ta tính toán thiết kế được thiết bị
hấp thụ như hình 5.
900
76
27
25
50
èng ®ôc lç Than ho¹t tÝnh BÒ mÆt hÊp thô
èng ®Õn thiÕt
bÞ ngung tô
BÒ mÆt ph¶n x¹
èng tõ thiÕt bÞ
bay h¬i ®Õn
Hình 5. Cấu tạo thiết bị hấp thụ kiểu ống
Hệ thống đã được sử dụng trong điều kiện thực tế, nhiệt độ bay hơi có thể đạt đến ta2 =
–15oC và có thể sản xuất được nước đá (hình 7.
Hình 7. Kết quả thực nghiệm, sản phẩm đá trong dàn bay hơi.
Hình 6. Hệ thống sản xuất nước đá 2kg/ngày