(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình máy lạnh hấp phục sử dụng cặp môi chất than hoạt tính r134a

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ÐẶNG HẢI NAM

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH
MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG
CẶP MƠI CHẤT THAN HOẠT TÍNH - R134A

NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT - 60520115

S K C0 0 5 8 7 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2018

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐẶNG HẢI NAM

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH
MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG
CẶP MƠI CHẤT THAN HOẠT TÍNH - R134A

NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT - 60520115

Tp Hồ Chí Minh, tháng 5/2018

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐẶNG HẢI NAM

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH
MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG
CẶP MƠI CHẤT THAN HOẠT TÍNH - R134A

NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT - 60520115
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS HOÀNG AN QUỐC

Tp Hồ Chí Minh, tháng 5/2018

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trang 1

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trang 2

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Đặng Hải Nam
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 02/01/1990
Nơi sinh: Đồng Nai
Quê quán: Nam Trực, Nam Định
Dân tộc: Kinh
Chổ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 134/24c Khu phố 3, P.Quang Vinh - Biên Hòa
- Đồng Nai.
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng:
Fax:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: ………………… Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …….

Nơi học (trường, thành phố):……………………………………………………
Ngành học:………………………………………………………………………
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính Quy
Thời gian đào tạo từ 08/2011/ đến 5/2015
Nơi học (trường, thành phố): Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
Ngành học: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Mô phỏng van điện từ bằng phần
mềm macromedia director
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 03/2015 tại Trường Đại
Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Người hướng dẫn: TS. Lê Xn Hịa
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
Nơi công tác
Công việc đảm nhiệm
07/2015-10/2015
10/2015- nay
10/2015- nay

Biên hòa
Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật
Tp. Hồ Chí Minh
Trường CĐ Kỹ Thuật Đồng Nai

iii

Luan van

Kỹ thuật viên.
Học viên cao học.
Giáo viên.


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Đặng Hải Nam

iv

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CẢM ƠN
Để có thể hồn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự
nỗ lực của bản thân cịn có sự hướng dẫn nhiệt tình của q thầy cơ cũng như sự động
viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập.
Xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn đến thầy PGS.TS Hồng An Quốc người đã
hết lòng giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tơi hồn thành luận văn này. Xin chân
thành bày tỏ lịng biết ơn đến tồn thể q thầy cơ trong khoa Điện Lạnh trường Đại

Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt những kiến
thức quý giá cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tơi trong suốt q trình
học tập, nghiên cứu và cho đến khi thực hiện xong đề tài luận văn.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến tồn thể q thầy cơ trường CĐ Kỹ
Thuật Đồng Nai đặc biệt là quý thầy cô trong khoa Điện - Điện Lạnh đã tạo mọi điều
kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, các anh chị và các bạn đồng
nghiệp đã hỗ trợ cho tơi rất nhiều trong suốt q trình học tập, nghiên cứu và thực
hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh.

v

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

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 mơi 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

vi

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

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 TỐN VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH MÁY LẠNH HẤP PHỤ ....... 35
3.1. Sơ đồ thiết kế tổng thể của mơ hình ...................................................................35
3.2. Chọn kích thước bình bay hơi/ngưng tụ .............................................................36
3.3. Tính nhiệt bình bay hơi.......................................................................................36
3.3.1. Dịng 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 tốn q 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 MƠ HÌNH .......................................... 45
4.1. Mơ 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 khơng ............................................................................................49
4.3.2. Khí heli được sử dụng để loại bỏ các khí cịn 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

vii

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

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

viii

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Giải thích

Ký hiệu
𝛼 [𝑊/𝑚2 𝐾]

Giải thích

T [K]

Nhiệt độ

W [kg/kg]

Hệ số hấp phụ

𝑊𝑜 [kg/kg]

Hệ số hấp phụ tối đa

k [𝑊/𝑚2 𝐾]

hệ số truyền nhiệt

P [bar]

Cơng suất

d [m]

Đường kính ống

𝜆 [𝑊/𝑚𝐾]

hệ số dẫn nhiệt

𝛿 [m]

Chiều dày

Q [W]

Nhiệt lượng

hệ số thời gian làm

b

việc

E [J/mol]
𝛽

Năng lượng đạc trưng
hệ số trước theo cấp số
nhân

𝑋𝑜

hệ số toả nhiệt đối lưu
tỷ lệ nồng độ tối đa có thể
của chất bị hấp phụ

𝜏 (s)

Thời gian

t [℃]

Nhiệt độ

k

hệ số tính đến tổn thất

F [𝑚2 ]

Diện tích

R [J/kgK]

Hằng số chất khí

m [kg]

Khối lượng

𝐶𝑝 [J/kg]

Nhiệt dung riêng

𝑃𝑠 [bar]

áp suất bão hòa của
chất bị hấp phụ

n

Hằng số mũ

𝜌 [𝑘𝑔/𝑚3 ]

Khối lượng riêng

D

Hệ số lực hút

V [𝑚3 ]

Thể tích

X [kg/kg]

Tỷ lệ nồng độ

r [J/kg]

Nhiệt ẩn hóa hơi

ix

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1. Mơ hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng Zeolite - nước......................3
Hình 1.2. Máy lạnh hấp phụ sử dụng cặp mơi chất than hoạt tính và Methanol sản
xuất nước đá. ...............................................................................................................4
Hình 1.3. Máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng cặp mơi chất than hoạt tính – methanol
.....................................................................................................................................5
Hình 1.4. Mơ hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng cặp mơi 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. Ngun lý cơng 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 mơ 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 mơ tả vị trí của thiết bị trong mơ hình............................................45
Hình 4.2. Mơ hình thực nghiệm ...............................................................................46
Hình 4.3. Mơ 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. Cơng suất van tiết lưu, tấn (kW) ..............................................................48

Hình 4.7. Bơm chân khơng, đường ống kết nối và thông số của bơm chân không .49

x

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 4.8. Kết nối bình khí heli vào mơ hình thơng 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. Mơ hình tổng thể máy lạnh hấp phụ. ......................................................53
Hình 4.14. Nạp mơi 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 mơi 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 mơi 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 mơi 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 mơi 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

xi

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
BẢNG

TRANG

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 cơng 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 mơ 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 mơ hình. ..............................................................................................................61
Bảng 4.4: Khả năng hấp phụ tại các nhiệt độ bay hơi tương ứng. ...........................65

xii

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

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 cơng, 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 khơng cịn 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
hịa khơng khí, ....

Trang 1

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

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. Ngồi ra cịn 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 mơ 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 khơng 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 mơ 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 hịa khơng 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

Trang 2

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

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. Mơ hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng Zeolite - nước.

Về ưu điểm:
Mơ hình chế tạo đơn giản, dễ vận hành.
Kinh phí chế tạo khơng cao.
Hệ số sử dụng ít van, do đó việc duy trì chân khơng trong hệ thống được thuận
lợi hơn.
Nhược điểm:
Dàn ngưng được chế tạo bằng inox nên việc trao đổi nhiệt với mơi trường khó
khăn hơn.
Ảnh hưởng của tốc độ gió đến q trình hấp phụ môi chất lạnh là yếu tố cần
được xem xét. Tốc độ gió làm khả năng ln chuyển khơng khí kém do đó cần bố trí
hệ thống ở những nơi thơng thống 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 mơi 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.

Trang 3

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.2. Máy lạnh hấp phụ sử dụng cặp mơi 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 khơng trong hệ thống thuận
lợi hơn.
Nhược điểm:

Dàn ngưng tự chế tạo, việc kết nối dàn ngưng với bộ hấp phụ có nhiều mối hàn
nên việc giữ chân khơng khơng thuận lợi.
Cách bố trí tấm cách nhiệt phía đáy bộ hấp phụ làm cho bộ hấp phụ khó giải
nhiệt ra môi trường xung quanh
Ảnh hưởng của tốc độ gió đến q trình hấp phụ mơi chất lạnh là yếu tố cần
được xem xét. Tốc độ gió làm khả năng ln chuyển khơng khí kém do đó cần bố trí
hệ thống ở những nơi thơng thống và có gió.
Ngồi ra cịn 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

Trang 4

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.3. Máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng cặp mơi chất than hoạt tính –
methanol
Lê Vinh Phát [6] có luận văn: Nghiên cứu xây dựng mơ hình thí nghiệm máy
lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng than hoạt tính – methanol

Hình 1.4. Mơ hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng cặp môi chất than hoạt
tính - methanol
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,

Trang 5

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

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 mơi 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:
Mơ hình cấu tạo đơn giản, dễ vận hành

Sử dụng ít van nên sự rị rỉ trong hệ thống ít hơn
Nhược điểm:
Khơng biết được mơi chất trong hệ thống đã giải hấp/hấp phụ hết chưa nhằm
chuyển quá trình khi quá trình trước kết thúc.
Chưa trình bày được lượng nhiệt cấp vào và lượng nhiệt thu được từ đó đưa ra
hiệu suất của hệ thống.

Trang 6

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

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 rị rỉ là rất nhỏ. Họ cũng phân tích chu trình nhiệt động của hệ thống
lạnh hấp phụ 2 cấp nén với cặp mơi 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 mơ hình phịng 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. Mơ hình
phịng 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 mơ hình phịng thí nghiệm cơng 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
vịng 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

Trang 7

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

dữ liệu thu được từ các thí nghiệm được phân tích sử dụng mơ 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 trị 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 sơi 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
thơng qua việc đánh giá hiệu suất nhiệt động trong việc điều hịa khơng 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 phịng
thí nghiệm CNR ITAE. Cuối cùng, đã thiết kế và xây dựng được mơ hình tủ lạnh có

Trang 8

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

công suất 0,5 kW . Các kết quả thử nghiệm đầu tiên cả trong điều kiện điều hịa khơng
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 hịa khơng 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 phịng thí nghiệm sử dụng cặp mơi chất than hoạt tính - ethanol. Cơng suất làm
lạnh riêng khá tốt đối với điều hịa khơng 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 hịa khơng 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 hịa khơng 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 khơng có thời gian chuyển đổi hoặc thời gian chuyển đổi cực
kì ngắn là khơng 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

Trang 9

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SĨ

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 khơng trong q 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 khơng cần duy trì gia nhiệt trong q trình
giải hấp. Cơng 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 khơng
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 mơi chất là than hoạt tính - methanol và
than hoạt tính - ethanol, hai cặp mơi 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 mơi 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 mơ hình cân bằng nhiệt
động, hiệu suất cảu chu trình hấp phụ làm lạnh lý tưởng cũng đã được nghiên cứu và

Trang 10

Luan van