Mô hình hệ thống lạnh máy đá cây, sản xuất đá thực tế chạy

1 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020

MƠ HÌNH HỆ THỐNG LẠNH MÁY ĐÁ CÂY, SẢN XUẤT ĐÁ THỰC TẾ CHẠY
BẰNG HAI NGUỒN NĂNG LƯỢNG

MODEL OF REFRIGERATION MACHINE SYSTEM, REAL STONE PRODUCTION
RUN BY TWO ENERGY SOURCES

SVTH: Trần Lê Nguyễn Vi, Lê Thạc Chiến1, Mai Đức Văn, Văn Anh Bằng2
1Lớp 17N1, Khoa Cơ khí , 2Lớp 17N2, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng

GVHD: ThS. Nguyễn Công Vinh
Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt - Năng lượng là yếu tố vơ cùng quan trọng cho sự Abstract - Energy is extremely important factor for the
phát triển của mỗi quốc gia. Xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử development of each nation. The more society develops, the
dụng năng lượng ngày càng cao. Ở Việt Nam, tiềm năng để phát higher the demand for energy. In Vietnam, the potential for solar
triển năng lượng mặt trời ngày được xã hội quan tâm. Nguồn power development is of increasing social interest. The electricity
điện được sản xuất ra từ các nguồn năng lượng mặt trời đang produced from solar sources is considered an ideal complement
được xem là sự bổ sung lý tưởng cho sự thiếu hụt điện năng. to the power shortage. Besides, the need to use refrigeration
Bên cạnh đó nhu cầu sử dụng các hệ thống lạnh để bảo quản systems for food preservation as well as ice production for
thực phẩm cũng như sản xuất nước đá phục vụ nhu cầu sinh domestic needs is very large, while these are devices that
hoạt là rất lớn, trong khi đó đây là các thiết bị tiêu thụ nguồn điện consume huge power. Therefore, to save energy, when the ice
rất lớn. Vì vậy, để tiết kiệm năng lượng, khi hệ thống lạnh máy đá machine runs cold, it will combine two sources of electric energy
hoạt động sẽ kết hợp hai nguồn năng lượng điện từ năng lượng from solar energy and electricity. At the same time, manufacturing
mặt trời sinh ra và điện năng. Đồng thời, chế tạo mơ hình thực an experimental model to produce actual stone and assessing
nghiệm để sản xuất ra đá thực tế và đánh giá các yếu tố ảnh factors affecting the performance of the system.
hưởng đến hiệu quả làm việc của hệ thống.
Key words - Solar energy; ice; cold system; temperature;
Từ khóa - Năng lượng mặt tời; nước đá; hệ thống lạnh; nhiệt process.
độ; chu trình.

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh máy đá
1. Đặt vấn đề
Hình 2: Đồ thị thể hiện các điểm nút của chu trình lạnh
Với mong muốn hướng đến người dân sử dụng các Theo hình 2 chúng ta dễ dàng thấy được các quá trình
nguồn năng lượng sạch để phục vụ sinh hoạt đời sống. xảy ra theo thứ tự như sau: 1’-1: quá trình q nhiệt hơi
Chúng tơi nghiên cứu chế tạo mơ hình máy đá sản xuất ra
đá thực tế chạy bằng điện năng kết hợp với điện từ năng
lượng mặt trời. Sau khi chế tạo hồn chỉnh mơ hình, đã
tiến hành chạy thử nghiệm, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng
đến thời gian đơng đá, lượng điện năng tiêu thụ trong q
trình hoạt động để đưa ra các hướng giải quyết khắc phục,
để tiết kiệm năng lượng.

Đối tượng nghiên cứu là máy đá công suất nhỏ,
chuyên sản xuất nước đá ống, đá viên hoặc đá cây loại
12,5 kg, phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt hằng ngày của
con người. Đây là một đề tài nghiên cứu ứng dụng, do đó
có thể triển khai rộng rãi trong thực tế rất cao, phù hợp
với khả năng nghiên cứu lý thuyết cũng như chế tạo mơ
hình thực nghiệm đối với sinh viên.

2. Nội dung nghiên cứu

2.1. Cơ sở lí thuyết

Để tính tốn công suất lạnh của hệ thống, chúng tôi đã
đưa ra các giả thiết ban đầu như sau:

- Năng suất lạnh 150 W.

- Thời gian làm đá từ 2,5 ÷ 3 h.

- Môi chất lạnh sử dụng là R134a.

- Modun năng lượng mặt trời có sẵn.

Chu trình hệ thống lạnh máy đá một cấp nén có lắp đặt
thiết bị hồi nhiệt bao gồm các thiết bị chính: Máy nén kín
(MN); thiết bị ngưng tụ (TBNT); thiết bị bay hơi
(TBBH); van tiết lưu (VTL); thiết bị hồi nhiệt (TBHN).

Trần Lê Nguyễn Vi, Lê Thạc Chiến, Mai Đức Văn, Văn Anh Bằng 2

hạ áp ở thiết bị hồi nhiệt; 1-2: quá trình nén đoạn nhiệt - Năng suất lạnh riêng của chu trình:
hơi mơi chất từ áp suất thấp, nhiệt độ thấp lên áp suất cao,
nhiệt độ cao trong máy nén hơi; 2-3: quá trình ngưng tụ q0 = i1’ – i4 = 152 (kJ/kg) (3)
đẳng nhiệt, đẳng áp trong thiết bị ngưng tụ và thải nhiệt
cho mơi trường; 3-3’ q trình q lạnh lỏng cao áp ở - Năng suất nhiệt ngưng tụ riêng:
thiết bị hồi nhiệt; 3-4: quá trình tiết lưu đẳng entanpi của
môi chất lỏng qua van tiết lưu từ áp suất cao xuống áp qk = i2 – i3 = 183 (kJ/kg) (4)
suất thấp; 4-1’: quá trình bay hơi đẳng áp đẳng nhiệt ở
nhiệt độ và áp suất thấp thu nhiệt của môi trường cần làm - Công rén riêng: l = i2 – i1 = 31 (kJ/kg) (5)
lạnh trong bể đá.
ε= q0 =152 =4,9
- Hệ số lạnh chu trình: l 31 (6)

Nguyên lý làm việc của hệ thống lạnh máy đá: Hơi hạ - Lượng hơi thực tế hút vào máy nén:
áp từ dàn bay hơi, được máy nén hút về và nén lên áp suất
cao (pk) nhiệt độ cao (tk) sau đó đưa vào dàn ngưng tụ. Tại G= Q0 = 0 , 120 =0 , 00078
đây môi chất lạnh nhả nhiệt cho môi trường làm mát là q0 152

khơng khí nhờ quạt gió đối lưu cưỡng bức, trở thành lỏng (kg/s) (7)
cao áp (pk) rồi đi qua van tiết lưu. Sau khi qua van tiết lưu
môi chất sẽ giảm từ áp suất cao (pk) thành áp suất thấp - Nhiệt tỏa ra từ thiết bị ngưng tụ:
(p0) thành lỏng hạ áp có nhiệt độ (t0) và đi vào dàn bay
hơi. Tại dàn bay hơi, môi chất lạnh nhận nhiệt tỏa ra từ Qk = G. qk = 0,00078.183= 142 (W). (8)
các nguồn nhiệt bên trong bể đá và nước ở khn đá, hóa
hơi và được máy nén hút về. Chu trình được khép lại. F - Diện tích dàn ngưng tụ (m2): k= Qk k k . Δttk (9)

2.2. Tính tốn nhiệt cho hệ thống Trong đó: Δtt - độ chênh nhiệt độ trung bình logarit; kk
- hệ số truyền nhiệt.

Lượng nhiệt tỏa ra từ thiết bị ngưng tụ bằng nhiệt Độ chênh nhiệt độ trung bình giữa hai môi chất, khi
lượng thu vào từ dàn bay hơi cộng với công tiêu thụ cho một trong hai mơi chất có chuyển pha (sơi hoặc ngưng)
máy nén. Ở đây, tính tương ứng với 1kg môi chất lạnh đi với thiết bị trao đổi nhiệt cùng chiều và ngược chiều được
qua thiết bị bay hơi, theo định luật nhiệt động 2 ta có xác định như sau:
phương trình:
Δttk= Δtt1−Δtt2 Δtt1
qk = l + q0 (1) ln

Chỉ số hiệu quả làm lạnh lý thuyết được xác định bằng Δtt 2 ; (0K) (10)
tỷ số giữa số giữa nhiệt lượng nhận được từ vật cần làm
lạnh trên công tiêu thụ. Với Δtt1, Δtt2 là hiệu nhiệt độ giữa hai môi chất khi vào
và ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt. Do đó có thể chọn độ
q0 chênh nhiệt độ trung bình logarit Δtt = 60K và kk = 15 W/
m2.K. Kết quả tính tốn được diện tích dàn ngưng tụ Fk =
ε= l ; (2) 0,56 m2.

Với: q0 - năng suất lạnh riêng (kJ/kg); qk - nhiệt lượng F - Diện tích dàn bay hơi (m2): 0= Q0 k0 . Δtt 0 (11)
môi chất nhả cho môi trường (kJ/kg); l - công tiêu thụ của
máy nén (kJ/kg).

Nhiệt độ sôi của môi chất chọn giá trị là -150C, nhiệt Đối với các dàn bay hơi đối lưu cưỡng bức sử dụng
độ ngưng tụ trong 450C; độ quá nhiệt là Δttqn = 50C; độ quá môi chất freôn khi hiệu nhiệt độ trung bình giữa frn
lạnh là Δttqn = 50C; môi chất được khảo sát là R134a. lỏng sôi trong ống và khơng khí bên ngồi ống càng lớn
thì hệ số truyền nhiệt k0 càng lớn và ngược lại. Theo tài
Bảng 1: Thông số trạng thái các điểm nút của môi liệu chọn độ chênh nhiệt độ trung bình logarit Δtt = 110K
chất lạnh R134a và hệ số truyền nhiệt k0 = 4 W/m2.K. Tính được kết quả
diện tích dàn bay hơi F0 = 0,33m2.
Điểm 1’ 1 2 3 3’ 4

Nhiệt độ, 0C -15 -10 60 45 40 -10 2.3. Chế tạo mô hình máy đá

Áp suất, bar 3,50 3,50 14,8 14,8 14,8 3,50 Trên cơ sở lý thuyết, chúng tơi đã tiến hành tính tốn,
thiết kế và chế tạo hệ thống lạnh sản xuất nước đá chạy
Entanpi, kJ/kg 487 492 521 347 341 341 bằng hai nguồn năng lượng mặt trời và điện năng.

Ở đây trạng thái điểm 3’ có được là do quá lạnh lỏng Mô hình hệ thống gồm: Máy nén kín cơng suất 120
ngay trong thiết bị hồi nhiệt và điểm 4 là do van tiết lưu W; dàn ngưng tụ điện tích 0,56m2; van tiết lưu tay; dàn
thực hiện. Để khống chế nhiệt độ của hai điểm này chúng bay hơi diện tích 0,33m2. Ngồi ra kèm theo các thiết bị
ta thay đổi lượng hơi vào thiết bị hồi nhiệtvà điều chỉnh phụ: quạt gió; van nạp ga; rơ le nhiệt độ; đồng hồ đo áp
van tiết lưu để áp suất bay hơi của môi chất lạnh tương
ứng với nhiệt độ trên. Tính tốn các đại lượng sau: suất ; bộ sạc điện; đồng hồ đo dòng điện…

3 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020

Hình 3: Sơ đồ thực tế hệ thống lạnh máy đá Hình 5: Thao tác thử kín
- Hút chân không, đây là khâu thứ hai nhằm hút hết
Khi hệ thống hoạt động, nguồn điện từ pin năng lượng khơng khí tồn tại bên trong đường ống, đảm bảo cho hệ
mặt trời qua bộ sạc sẽ được nạp vào bình ắc quy rồi cấp thống không bị tắc ẩm và nâng cao hiệu quả làm lạnh.
cho hai quạt gió. Nguồn điện năng chính sẽ cấp cho máy

nén hoạt động. Vào ban ngày hệ thống sẽ ưu tiên dùng Hình 6: Thao tác hút chân khơng
điện từ năng lượng mặt trời, nếu không đủ sẽ lấy thêm - Nạp gas cho máy, đây là khâu cuối cùng cần phải
điện lưới bù vào. Vào ban đêm hoặc những ngày trời đảm bảo nạp đủ ga cho máy, khi đó máy làm việc mới
mưa, thiếu ánh nắng, hệ thống sẽ dùng điện lưới như bình hiệu quả, làm lạnh nhanh, ít tiêu tốn diện năng. Chú ý một
thường. điều, trong trường hợp máy nạp thiếu gas hoặc thừa gas
đều không tốt.
2.4. Kết quả đạt được

Đã chế tạo mơ hình hệ thống lạnh máy đá cây hồn
thành, chạy thử nghiệm đạt kết quả tốt. Nhiệt độ bên
trong bể đá đạt khoảng -100C, đá đơng hồn tồn. Thời
gian đơng đá trung bình là khoảng 3 giờ tùy theo kích
thước khn đá. Hệ thống hoạt động ổn định, an tồn và
tự động. Khi đạt nhiệt độ yêu cầu thì rơ le nhiệt độ ngắt,
máy nén dừng hoạt động. Pin năng lượng mặt trời cung
cấp đầy đủ điện năng cho hai quạt gió hoạt động ổn định.

Hình 4: Mơ hình hệ thống lạnh máy đá Hình 7: Thao tác nạp gas

Các thao tác trong q trình chế tạo mơ hình và chạy 3. Kết luận
thử nghiệm.
Sau một thời gian nghiên cứu lý thuyết và chế tạo mô
- Kiểm tra độ kín của hệ thống, đây được xem khâu hình thực nghiệm, nhóm tác giả đã thu được một số kết
quan trọng nhất quyết định quá trình hoạt động. Vì khi hệ quả như sau:
thống bị rị rỉ, sẽ khơng có gas và không thể làm lạnh
được.

Trần Lê Nguyễn Vi, Lê Thạc Chiến, Mai Đức Văn, Văn Anh Bằng 4

- Hiểu được nguyên lý hoạt động của hệ thống lạnh

máy đá.

- Đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố đến thời
gian đơng đá.

- Chế tạo được hồn thiện mơ hình máy đá và đã tiến
hành chạy thử nghiệm sản xuất ra đá thực tế.

- Kỹ năng tay nghề của bản thân được nâng cao.

- Biết sử dụng cụ đo đạc, biết sơ đồ đấu dây điện.

Bên cạnh những việc đề tài đã làm được, vẫn còn một
số hạn chế như sau:

Hình 9: Đá đã được sản xuất từ mơ hình

- Trong q trình chế tạo mơ hình đã lắp thêm thiết bị
hồi nhiệt nhằm nâng cao hiệu quả làm lạnh và tiết kiệm
năng lượng. Thực tế cho thấy khi lắp đặt thiết bị này vào
thì thời gian làm lạnh có giảm đáng kể. Tuy nhiên, đây là
thiết bị chịu áp lực lớn và hai vật liệu khác nhau nên khó
hàn, do đó hệ thống đã bị xì ga, vì thế trong đề tài chỉ
nghiên cứu tính tốn phần lý thuyết.

Tài liệu tham khảo

[1] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Đinh Văn Thuận, Kỹ thuật

lạnh ứng dụng. Nhà xuất bản giáo dục, 2009.

[2] Lê Nguyên Minh, Giáo trình nhiệt động kỹ thuật. Nhà xuất bản

Hình 8: Một số hình ảnh chế tạo mơ hình giáo dục, 2009.
[3] Hồ Trần Anh Ngọc, Phan Q Trà, Nguyễn Thị Hồng Nhung,
- Để có đủ điện năng chạy máy nén, cần rất nhiều
Giáo trình Kỹ thuật nhiệt. Nhà xuất bản thông tin truyền thông,

modun pin năng lượng mặt trời. Tuy nhiên vì kinh phí hạn 2016. [4] Hồ Trần Anh Ngọc, Nguyễn Công Vinh, Giáo trình kỹ thuật
chế nên chưa thực hiện được, do đó chỉ làm điển hình
điều hịa khơng khí. Nhà xuất bản Đà Nẵng.
chạy cho quạt gió.
[5] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Kỹ thuật lạnh cơ sở. Nhà xuất

bản giáo dục, 2007.

[6] Nguyễn Đức Lợi, Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh. Nhà xuất

bản Khoa học kỹ thuật, 1999.