NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG THÁC NƯỚC VÀ DÒNG CHẢY ĐỂ LÀM LẠNH

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

23
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG THÁC NƯỚC
VÀ DÒNG CHẢY ĐỂ LÀM LẠNH
A STUDY ON USING WATERFALL AND WATERCURRENT ENERGY
FOR REFRIGERATION

Võ Chí Chính
Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm sử dụng năng lượng thác nước và dòng chảy để làm lạnh, ứng dụng kết quả nghiên
cứu để sản xuất đá phục vụ đời sống.
Đây là một hướng mới trong việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo để làm lạnh đạt
hiệu quả cao, hoàn toàn có thể triển khai rộng rãi trên thực t
ế, lần đầu tiên được đề xuất sử
dụng tại Việt Nam.
Các kết quả nghiên cứu đặt tiền đề cho việc xây dựng các trạm lạnh tại các vùng đồi
núi xa xôi, hẻo lánh phục vụ đồng bào dân tộc, du lịch mà không sử dụng đến điện năng.
ABSTRACT
In this article, we present theoretical and experimental results in using waterfall and
water current energy for refrigeration, and the application of these studied results to ice-making
for people’s use.
This is new method on using regeneration energy for refrigeration with high efficiency. It
may be applied in practice, for it is the first time in Vietnam that waterfall and water current
energy has been used for refrigeration.
The results from this study are the foundations for installing refrigeration stations in
remote areas to serve ethnic minorities and tourists without resorting to the use of electricity.
1. Đặt vấn đề

Năng lượng thác nước và dòng chảy là dạng năng lượng có sẵn trong tự nhiên, là
nguồn năng lượng tái tạo. Do đặc điểm nước ta có địa hình khá dốc nên nguồn năng
lượng thác nước và dòng chảy rất lớn có thể sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau.
Đại bộ phận các nguồn công suất lớn đã và đang được khai thác sử dụng làm
thủy điện, còn lại rất nhiều các nguồn có công suất vừa và nhỏ chưa được khai thác. Các
nguồn này nếu khai thác làm thủy điện sẽ không kinh tế và hiệu quả, nhưng nếu đem sử
dụng vào các mục đích khác có thể mang lại hiệu quả tốt.
Năng lượng nước có nhiều ưu điểm như có thể trực tiếp biến đổi thành cơ năng,
ổn định, công suất lớn, tập trung, lại thường có ở những nơi chưa có điện lưới nên sử
dụng nó để chạy máy lạnh rất có ý nghĩa. Dưới đây chúng tôi trình bày một số kết quả
nghiên cứu và thử nghiệm sử dụng sức nước để chạy máy lạnh.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

24
2. Các cơ sở lý thuyết
2.1. Công suất của thác nước và dòng chảy
2.1.1. Công suất của thác nước
Công suất của một thác nước được xác định như sau:
h.g.G
h.g.MH
Q
TNTN
=
τ
=
τ
= , W (1)
Trong đó:
Q
TN

– Công suất thác nước, W;
H - Thế năng của thác nước, kJ ;
τ- Thời gian mà lượng nước M chuyển động hết thác nước, giây;
G
TN
- Lưu lượng thác nước, kg/s;
g- Gia tốc trọng trường, kg/s
2
;
h- Chiều cao thác nước, m.
2.1.2. Công suất dòng chảy
Công suất của dòng chảy được xác định theo công thức sau đây :

2
.G
Q
2
DC
DC
ω
=
, W (2)
G
DC
- Lưu lượng dòng chảy, kg/s ;
ω- Tốc độ dòng chảy, m/s.
2.2. Thời gian làm lạnh

o
ddnn

o
Q
)t.Crt.C.[M
Q
Q
++
==τ
(3)
M – Lượng nước được sử dụng để làm lạnh, kg ;
t
n
, t
d
- Nhiệt độ nước ban đầu và nhiệt độ đá thành phẩm,
o
C ;
C
n
, C
d
– Nhiệt dung riêng của nước và của đá , J/kg.K ;
r – Nhiệt ẩn đông đặc của nước, J/kg.
Q
o
– Năng suất lạnh của máy lạnh, W.
Thời gian làm lạnh ở trên có thể chia ra làm 3 giai đoạn: giai đoạn hạ nhiệt độ
đến 0
o
C, giai đoạn đông đặc và giai đoạn hạ nhiệt độ đá.
2.3. Năng suất và hiệu quả làm lạnh

2.3.1. Năng suất lạnh của máy nén

o
h
2
ooo
q.
v4
n.Z.s.d
.q.GQ
π
λ==
(4)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

25
G
o
– Lưu lượng tuần hoàn của gas, kg/s;
q
o
– Năng suất lạnh riêng của chu trình, J/kg;
λ, v
h
– Hệ số cấp chu trình và thể tích riêng (m
3
/kg) của trạng thái hút
của chu trình;
d, s, Z, n – Đường kính (m) , hành trình (m), số xi lanh và tốc độ quay
máy nén (vòng/giây).

2.3.2. Năng suất lạnh hữu ích làm lạnh nước đá

τ
−
=
)tt(C.M
Q
n
'
nn
HI
o
(5)
t
n
- Nhiệt độ của nước tại thời gian τ.
2.3.3. Hiệu quả lạnh của máy lạnh

TN
oMN
MN
Q
Q
=ε
(6)
2.3.4. Hiệu quả lạnh của hệ thống lạnh

TN
HI
o

HT
Q
Q
=ε
(7)
2.4. Xác định công suất đoạn nhiệt yêu cầu máy nén lạnh
Công suất động cơ lắp đặt yêu cầu của máy nén lạnh

otdci
o
dp
tdci
s
dpdc
q
l
.

Q
K

N
KN
ηηη
=
ηηη
=
(8)
Trong đó :
Q

o
, N
s
– Năng suất lạnh và công suất đoạn nhiệt, W;
l, q
o
– Công nén riêng và năng suất lạnh riêng, J/kg;
η
i
, η
c
, η
td
, - Hiệu suất chỉ thị, hiệu suất cơ và hiệu suất truyền động.

3. Hệ thống thiết bị thí nghiệm và kết quả nghiên cứu
3.1. Hệ thống thiết bị thí nghiệm
Hệ thống gồm một guồng nước đường kính 1200mm, rộng 300mm dùng dẫn
động một máy nén lạnh công suất định mức 12.000 Btu/h (3517 W). Hệ thống lạnh
được sử dụng để làm l
ạnh nước với khối lượng nước có thể thay đổi nhằm xác định
năng suất lạnh hữu ích của máy và đánh giá khả năng làm lạnh của nó. Môi chất lạnh sử
dụng là R12.
Hệ thống truyền động bằng đai, có tỷ số truyền là 5. Các thiết bị phụ gồm dàn
ngưng, bể nước và dàn lạnh, lọc ẩm và các thiết bị phụ khác. Toàn bộ hệ thống được lắp
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

26
đặt trên một khung đỡ chắc chắn
(hình 1 và hình 2)

3.2. Kết quả tính toán và nghiên
cứu thí nghiệm
3.2.1. Quan hệ giữa năng suất lạnh
và các thông số của thác nước
Trên cơ sở quan hệ giữa công
suất yêu cầu trên trục của máy nén
lạnh với năng suất lạnh, chúng tôi
xây dựng được đường đặc tính lý
thuyết quan hệ giữa năng suất của
máy nén lạnh với các thông số của thác nước.
Hình 2. Hệ thống thiết bị thí nghiệm
1- Máy nén lạnh kiểu hở, 2- Bể nước làm lạnh, 3- Dàn ngưng, 4- Bộ lọc ẩm, 5- Tiết lưu, 6- Guồng nước,
7- Ống dẫn nước, 8- Trục đỡ guồng nước, 9- Khung đỡ guồng nước, 10- Khung đỡ cụm máy lạnh
1235
410 400
200
500
450
340
300
810
200
1235
2
2
3
6
7
8
1

453
1
9
10
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
48112223
G, kg/s
Qo.W
h=10m
h=15m
h=20m
h=25m
h=30m
h=35m
h=40m
Hình 3. Quan hệ Qo = f(G
TN
, h)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

27

Từ đồ thị hình 3 xác định được công suất máy lạnh có thể đạt được khi sử dụng
các thác nước có độ cao và lưu lượng khác nhau. Trên cơ sở đó có thể xác định được
năng suất đá sản xuất được trong một ngày. Đồ thị này cho phép chúng ta có thể xác
định được những yêu cầu cần thiết của thác nước khi sử dụng vào một mục đích nào đó.
3.2.2. Sự thay đổi nhiệt độ của nước khi chạy bằng guồng
Chúng tôi đã tiến hành chạy thử nghiệm hệ thống tại Lăng Cô. Nguồn nước sử
dụng là nước mà bà con thường sử dụng để rửa xe ven đường, dưới chân đèo Hải Vân
với lưu lượng nước đo được là 4 kg/s và độ cao từ nơi lấy nước xuống so với mặt đất là
25m, khối lượng nước cần làm lạnh trong bể là: 10, 20 và 30 kg. Nhiệt độ nước ban đầu
là 32
o
C. Trên cơ sở chạy thử nhiều lần, chúng tôi có bảng số liệu thay đổi nhiệt độ nước
theo thời gian thể hiện trên đồ thị hình 4.
Kết quả chạy thử cho thấy:
- Tốc độ làm lạnh khá nhanh, nhiệt độ nước giảm từ 32
o
C xuống 0
o
C lần lượt là
16, 32 và 40 phút. Như vậy, chưa đầy 1 tiếng đồng hồ nước trong bể đã đóng băng. Nếu
sử dụng để làm đá với kích cỡ nhỏ thì trong vòng khoảng 1,5 giờ là đã có thể có đá
sử dụng.
0
5
10
15
20
25
30
3

5

0

4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48
N
hiệt độ
nước
oC
M=10 kg
M=20 kg
M=30 kg
Thời gian, Phút,

Hình 4. Sự thay đổi nhiệt độ nước
3.2.3. So sánh thời gian làm lạnh lý thuyết và thực nghiệm
Thời gian làm lạnh lý thuyết là thời gian tính toán theo công thức (3), còn thời
gian thực nghiệm lấy theo thực tế đo được. Để tiện so sánh và thử nghiệm, chúng tôi chỉ
xác định thời gian làm lạnh được tính từ khi vận hành (nhiệt độ nước 32
o
C) cho đến khi
nước đạt 0
o
C. Do khi vận hành, có một số tổn thất nhiệt ở bể nước, trên đường ống nên
năng suất lạnh hữu ích chỉ chiêm một phần trong tổng năng suất lạnh do máy nén tạo ra.
Kết quả trên hình 5 cho thấy, tổn thất nhiệt chiếm cỡ 10%.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

28

Hình 5. So sánh thời gian làm lạnh lý thuyết và thực tế
3.2.4. Năng suất lạnh hữu ích khi chạy bằng sắc nước
Năng suất lạnh hữu ích được xác định trên cơ sở thay đổi nhiệt độ nước, là năng
suất cần thiết để làm giảm nhiệt độ nước. Chúng tôi đã xác định được năng suất đó và
biểu diễn trên đồ thị hình 6. Kết quả tính toán cho thấy, năng suất lạnh hữu ích đạt trung
bình khoảng 1500 W, chiếm 43% mức, tốc độ quay của máy nén lạnh khi chạy bằng
thác nước đạt 500 vòng phút, đạt 50% tốc độ quay chạy bằng mô tơ điện. Đây là một
kết quả rất tốt.
1.300
1.350
1.400
1.450
1.500
1.550
1.600
0 4 8 12162024283236404448
Thờ i gian, Phú t
Qo, W
M=10 kg
M=20 kg
M=30 kg

Hình 6. Năng suất lạnh hữu ích
0
10

20
30
40
50

60
10 20
3
,
Khối lượng nước
c M kg

Thời gian , Phút
Thực nghiệm
Lý thuyết
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

29
3.2.5. Hiệu quả làm lạnh của máy và hệ thống lạnh
Năng suất thác nước
Q
TN
= G.g.h = 4 x 9,81 x 25 = 981 W
3.2.6. Hiệu quả làm lạnh của máy lạnh
59.1
981
1555
Q
Q
TN
oMN
MN
===ε
3.2.7. Hiệu quả làm lạnh của hệ thống lạnh
5.1

981
1471
Q
Q
TN
HI
o
MN
===ε

4. Kết luận
Từ các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm có thể rút ra các kết luận
như sau:
1- Với hệ thống guồng đơn giản, thác nước có lưu lượng và độ cao không lớn,
nhưng chúng tôi đã sử dụng chạy máy lạnh hoạt động tốt, máy chạy đạt tốc độ khá cao
n=500 vòng/phút, năng suất lạnh do máy tạo ra đạt khoảng 1500W.
2- Hệ thống thiết bị thí nghiệm đơn giản nhưng hoạt động đạt hiệu quả làm lạnh
cao, thời gian làm lạnh nhanh, do sức nước trực tiếp biến đổi thành cơ năng làm chuyển
động môi chất lạnh. Thời gian làm đá với khối lượng nước 30 kg chưa đầy 1 giờ 30
phút,
3- Hiệu quả biến đổi năng lượng, được đặc trưng bởi hệ số làm lạnh đạt được
khá cao, khoảng 1,5. Điều này chứng tỏ hoàn toàn có thể triển khai ứng dụng trên thực
thế, vì chỉ cần một thác nước không lớn cũng đủ sức chạy một hệ thống lạnh có công
suất trung bình và lớn.
4- Hệ thống hoạt động ổn định trong cả ngày đêm và quanh năm.
5- Kết quả đặt tiền đề tốt cho việc triển khai sử dụng các thác nước ở các vùng
đồi núi thiếu điện, các khu du lịch để làm lạnh sản xuất đá, bảo quản rau quả và điều
hòa không khí.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] PGS.TS. Đinh Văn Thuận, Võ Chí Chính, Hệ thống máy và thiết bị lạnh Nhà xuất
bản Khoa học Kỹ thuật - Hà Nội, 2005.
[2] Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú Truyền nhiệt, Nhà xuất bản Giáo
dục - Hà Nội 1999.