MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI docx

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 CO

2
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 CO
2
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 p
k
và T
g1
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 T
g2
, áp suất hầu như không đổi ở áp suất P
k
.
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 p
o
và T
a1
.

ThiÕt bÞ bay
h¬i

B×nh chøa

ThiÕt bÞ

ngng
tô
Bøc x¹

mÆt trêi

Bé hÊp phô
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 Quỏ trỡnh bay hi ca mụi cht lnh trong thit b bay hi, hi mụi cht c than hot
tớnh hp ph ht nờn ỏp sut h thng hu nh khụng i P
o
, nhit hi mụi cht trc lỳc b
hp ph gim dn n nhit T
a2
.

3. Thit k h thng mỏy lnh hp ph sn xut nc ỏ cụng sut 2kg/ngy
thit k h thng mỏy lnh sn xut nc ỏ cụng sut 2kg/ngy thỡ ta tớnh toỏn
thit k cỏc thit b chớnh ca h thng:
Tớnh nhit thit b bay hi: l tớnh toỏn cụng sut lnh cn thit cung cp cho dn bay hi v
lng mụi cht cn thit phi np vo h thng.

Cụng sut lnh ca thit b bay hi c xỏc nh bng cụng thc:
Q = Q
1
+ Q
2
, [W]
Trong ú
Q1 - dũng nhit tn tht qua kt cu bao che ca thit b, [W]
Q2 - dũng nhit do ụng ỏ v lm lnh khuụn (nu h thng lm ỏ), [W]
Vy nng sut lnh ca h thng cú th xỏc nh bng cụng thc:

,
.
0
b
Qk
Q
[W]
Trong ú:
k - h s tớnh n tn tht trờn ng
ng v thit b h thng. H s ny i
vi h thng lm lnh trc tip ph
thuc vo nhit bay hi ca mụi cht,
vi t
0
= -15 chn k = 1,05.
b - h s thi gian lm vic. i vi h
thng lnh nh chn b = 0,7
Nhit lng cn thit cung
cp cho dn bay hi trong sut thi gian

lm vic ca h thng:
Q = Q
0
. , [J]
T ú ta cú th suy ra lng
Methanol cn cung cp l:

,
'
r
Q
M
mc

[kg] ; r - nhit n
hoỏ hi ca Methanol, [J/kg]
Tớnh toỏn vi cụng sut 2kg nc ỏ/ngy ta tớnh dc kớch thc thit b bay hi nh
hỡnh 3.
Tớnh toỏn thit b ngng t
Nhit ngng t ph thuc vo nhit mụi trng lm mỏt ca thit b ngng t.
Mc ớch ca h thng l khụng phi tn thờm ngun nng lng ngoi nờn chn thit b bay
hi l dn ngng gii nhit bng giú t nhiờn. Do ú hiu nhit ngng t (t
k
gia mụi cht
lnh ngng t v khụng khớ chn (t
K
= t
k
- t
mt

= 15
o
C)
Din tớch trao i nhit ca thit b ngng t tớch theo cụng thc: , [m
2
]
trong ú, Q
k
- ph ti nhit ca thit b ngng t. vi h thng ny ta ly Q
k
= Q
0,
[w]

80

60
120 20
Lỏng từ van tiết luu
Đuờng hơi đến bộ hấp thụ
Phần chứa núơc đá
Nắp đậy
Cách nhiệt
Hỡnh 3. Cu to thit b bay hi
.
Q
k
F
k t

k - hệ số truyền nhiệt, chọn
k = 30 W/m
2
K
F - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
của dàn ngưng, [m
2
]
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 T
2
nếu đã biết đẳng nhiệt hấp phụ
của một thành phần hơi bất kỳ ở
nhiệt độ T
1
. 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: a
1
- tung độ của cấu tử chuẩn, thường chọn là benzen, [kg/kg than]
a
2
- tung độ cấu tử cần tính, kg/kg than.
V
1
, V
2
- thể tích mol của cấu tử chuẩn và cấu tử cần tính, [m
3
/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, p
1
, p
2
- hoành độ của các điểm có áp suất của cấu tử chuẩn và cấu tử cần tính,
[mmHg]
p
S-1
- áp suất hơi bão hoà của cấu tử benzen ở nhiệt độ T
1
, [mmHg]
ta có p
S-1
= 75mmHg
p
S-2
- áp suất hơi bão hoà của cấu tử cần tính ở nhiệt độ T
2
, [mmHg]
lgp = a
0
+ a
1

.(T
-1
- (7,9151-2,6726.lgT).10
-3
-8,625.10
-7
.T), [Pa]
T - nhiệt độ của metanol, 0K.
a
0
= 9,1716 và a
1
= -2,7596.10
3

T
1
- nhiệt độ hấp phụ của benzen, K. Chọn T
1
= 20
0
C = 293K.
T
2
- nhiệt độ hấp phụ của metanol, K. Chọn T
2
= 30
0
C = 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
M
MC
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
Vi cụng sut thit b l 2kg nc ỏ trong mt ngy, ta tớnh toỏn thit k c thit b
hp th nh hỡnh 5.

900
76
27
25
50
ống đục lỗ
Than hoạt tính
Bề mặt hấp thụ

ống đến thiết
bị ngung tụ
Bề mặt phản xạ
ống từ thiết bị
bay hơi đến

Hỡnh 5. Cu to thit b hp th kiu ng



















H thng ó c s dng trong iu kin thc t, nhit bay hi cú th t n t
a2
=
15

o
C v cú th sn xut c nc ỏ (hỡnh 7.









Hỡnh 7. Kt qu thc nghim, sn phm ỏ trong dn bay hi.




Hỡnh 6. H thng sn xut nc ỏ 2kg/ngy
4. Kết luận
Bằng những cơ sở lý thuyết hấp phụ, lý thuyết NLMT, chúng tôi đã thiết kế chế tạo
mẫu máy lạnh phù hợp với điều kiện Việt Nam: Giá thành thấp, các nguyên vật liệu dễ kiếm
(than sọ dừa, methanol), dễ chế tạo hàng loạt.
Từ kết quả nghiên cứu trên, chúng ta hoàn toàn có thể ứng dụng năng lượng mặt trời
để làm lạnh với nhiều mục đích khác nhau. Thiết bị có thể chế tạo và sử dụng rộng rãi ở điều
kiện Việt Nam.


TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Lê Chí Hiệp, Máy lạnh hấp thụ trong kỹ thuật điều hoà không khí, Nhà xuất bản Đại
học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2004.

[2] Hoàng Dương Hùng, Nghiên cứu nâng cao hiệu quả của thiết bị thu năng lượng mặt
trời để cấp nhiệt và điều hoà không khí, Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật, Đại học Bách khoa
Đà Nẵng, 2002.
[3] Trần Ngọc Lân, Nghiên cứu ứng dụng năng lưọng mặt trời để làm lạnh, Luận văn
Thạc sĩ Kỹ thuật, 2006.
[4] Catherine Hildbrand, Philippedind, Michel Pons, Plorion Buchter, A new solar
powered adsorption refrigerator with high performance, Switzerland, 2002.
[5] F. Lemmini, A. Errougani, F. Bentayed, Experimentation of an adsorptive solar
refrigerator in Rabat, Department of physis Rabat, Maroc, 2002.
[6] Ph. Grenier, J. Jguilleminot, F.Meunier, M.Pons, Solar powered solid adsorption
coldstore, Journal of solar energy engineering, Vol 110, 1988.
[7] Peter E.Liley, Ph.D., D.I.C, Physical and Chemical Data, School of Mechenical
Engineering Purdue University (section 2), 2002.