THIẾT KẾ MÁY LẠNH HẤP THỤ NH3 – H2O LOẠI GIÁN ĐOẠN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐỂ SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ Chương 5+6+7+8

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

CHƢƠNG V: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
COLLECTOR
Collector mặt trời là một thiết bị dùng để hấp thụ bức xạ mặt trời và chuyển
năng lƣợng này thành nhiệt có thể sử dụng đƣợc. Có nhiều loại collector mặt trời
nhƣng có 3 loại thƣờng đƣợc dùng là loại collector dạng tấm phẳng, dạng ống hút
chân không và loại tập trung.
Trong 3 loại nêu trên nếu xét về chi phí đầu tƣ và hiệu suất làm việc thì
collector mặt trời dạng tấm phẳng là loại đƣợc sử dụng phổ biến nhất.
5.1 Collector tấm phẳng
Colector dạng tấm phẳng thì có cấu tạo và nguyên lý vận hành tƣơng đối đơn
giản hơn. Nó chuyển biến bức xạ mặt trời thành nhiệt thông qua tấm hấp thụ đặt
bên trong khối hình hộp. Nó có thể đƣợc đặt trên mái nhà hoặc nơi có ánh sánh
chiếu đến. Nó không đòi hỏi những thiết kế đặc biệt nhƣ loại ống hút chân không
hay loại tập trung. Có 5 thiết bị chính trong một collector mặt trời dạng tấm phẳng:

Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 81


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

Hình 5.1 Cấu tạo của collector tấm phẳng
Lớp phủ trong suốt có thể là kính hay là platic và đƣợc đặt trên tấm hấp thụ
nhiệt một khoảng. Khoảng này thƣờng không lớn để có thể ngăn chặn đƣợc lƣợng

bức xạ nhiệt tổn thất ra ngoài. Các tia bức xạ mặt trời có thể đi xuyên qua lớp tấm
phủ trong suốt nhờ hiệu ứng nhà kính và bị chuyển biến thành năng lƣợng nhiệt
trên tấm hấp thụ. Tuy nhiên lớp phủ trong suốt này cũng phản xạ lại một phần nhỏ
ánh sáng mặt trời chiếu tới nhƣ lƣợng này không đáng kể. Những tia có mức năng
lƣợng cao sẽ có bƣớc sóng ngắn đƣợc giữ lại nhờ lớp phủ trong suốt.
Bề mặt hấp thụ sẽ hấp thụ lƣợng nhiệt đi qua tấm phủ. Thƣờng thì nó đƣợc
làm đen để nâng cao khả năng hấp thụ và hạn chế khả năng phản xạ.
Collector phẳng có thể đạt đến nhiệt độ khoảng 2000C khi mà không có dòng
lƣu chất chuyển động qua, do đó vật liệu làm collector phải chịu đƣợc nhiệt độ này.
Vì vậy, bề mặt hấp thụ thƣờng đƣợc chế tạo là vật liệu kim loại nhƣ là đồng thép
hoặc nhôm. Vỏ của collector có thể đƣợc làm bằng plastic, kim loại hoặc gỗ. Lớp
Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 82


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

phủ trong suốt phải đƣợc bịt kín để cho nhiệt không thoát ra ngoài đƣợc và bụi, côn
trùng hoặc độ ẩm bên ngoài không xâm nhập vào.
Lớp cách nhiệt đƣợc bao bọc ở phía dƣới và xung quanh bề mặt hấp thụ. Sự
cách nhiệt này là để tránh các tổn thất nhiệt đi qua các vách.Tất cả các bộ phận
đƣợc bao bọc trong một vỏ hình hộp chữ nhật.
Collector mặt trời dạng tấm phẳng đƣợc phân loại theo loại môi trƣờng trao
đổi nhiệt mà chúng sử dụng. Có 2 loại collector phẳng là loại trao đổi nhiệt bằng
chất lỏng và loại trao đổi nhiệt bằng không khí. Chất lỏng đƣợc dùng có thể là nƣớc
hay silicone hoặc một vài chất lỏng khác.
Loại trao đổi nhiệt bằng không khí thì hoạt động tƣơng tự với loại trao đổi

nhiệt bằng chất lỏng. Nhƣng năng suất của nó thì nhỏ hơn loại trao đổi nhiệt bằng
chất lỏng. Cần khoảng 3500 feet3 không khí để vận chuyển một lƣơng nhiệt tƣơng
đƣơng với 1 feet3 nƣớc. Do đó kích thƣớc của collector trao đổi nhiệt bằng không
khí thƣờng lớn hơn kích thƣớc của collector trao đổi nhiệt bằng chất lỏng ở cùng
một công suất.
Nhiệt độ tối đa của collector tấm phẳng là 1200C. Tuy nhiên khi nhiệt độ
càng cao thì hiệu suất của collector càng giảm.
5.2 Collector dạng ống hút chân không
Sự đối lƣu của không khí trong collector gây ra tổn thất nhiệt và có thể đƣợc
khắc phục bằng cách duy trì độ chân không giữa bề mặt hấp thụ và tấm phủ trong
suốt. Nhƣng áp suất của không khí xung quanh lớn hơn sẽ luôn tìm cách xâm nhập
vào bên trong. Và nhƣ vậy thì thật khó để giữ độ chân không bên trong trong thời
gian mà nó hoạt động. Muốn vậy thì thiết bị phải liên tục đƣợc hút chân không.
Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 83


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

Nhƣợc điểm này có thể khắc phục bằng cách dùng ống hút chân không. Độ
chân không bên trong ống thì cao và nó có thể chống lại áp suất không khí xung
quanh do đó hiệu suất làm việc của ống sẽ cao. Ống chân không bao gồm: một ống
thủy tinh hút chân không khép kín, bên trong phủ một bề mặt hấp thụ bằng kim
loại.
Ngoài ra để tăng cƣờng khả năng trao đổi nhiệt giữa dòng lƣu chất nóng và
lạnh thì trong ống chân không ngƣời ta thƣờng đặt thêm một ống nhiệt bên trong.
Nhiệt độ tối đa của dạng này là 2500C.

5.3 Collector dạng tập trung
Collector tập trung là collector tự điều chỉnh theo hƣớng mặt trời. Nguyên lý
hoạt động của loại collector tập trung thì tƣơng tự nhƣ loại collector dạng tấm
phẳng nhƣ nó chỉ nhận bức xạ trực tiếp từ mặt trời. Nhiệt độ đạt đƣợc của dạng này
rất cao tùy thuộc vào dạng tập trung. Các dạng tập trung thƣờng thấy là dạng máng
trụ, dạng chỏm cầu, dạng parabol, dạng tháp kết hợp với kính phản xạ.
Tùy vào công nghệ chế tạo của từng hãng khác nhau mà dãy nhiệt độ đạt
đƣợc của loại này cũng khác nhau. Trên thế giới hiện nay các nƣớc có công nghệ
chế tạo collector mặt trời cao là: Đức , Nhật, Trung Quốc, Mỹ, Canada, Úc…
Trong 3 loại trên thì collector phẳng có nhiệt độ tối đa của chất tải nhiệt có
thể đạt đƣợc là 1200C. Tuy nhiên phần lớn các collector phẳng thƣơng mại hiện nay
chỉ đƣợc chế tạo đạt nhiệt độ tối đa là 1000C. Đối với loại collector dạng ống hút
chân không thì tùy thuộc vào công nghệ chế tạo của từng quốc gia khác nhau mà
giá trị nhiệt độ đạt đƣợc cũng khác nhau đáng kể. Nếu công nghệ chế tạo trung bình
thì nhiệt độ đạt đƣợc nằm trong khoảng từ 800C đến 1200C. Theo số liệu mới nhất
Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 84


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

thì nếu công nghệ chế tạo hiện đại thì nhiệt độ mà dạng collector này có thể lên đến
2500C.
5.4 Phân tích lựa chọn phƣơng án.
So với collector ống chân không và tập trung thì collector tấm phẳng có những ƣu
điểm nhƣ sau:
Collector chân không, tập trung

Collector tấm phẳng

Nhạy cảm với tia hồng ngoại của bức xạ Sự hoạt động của nó bị ảnh hƣởng đáng
mặt trời mặc dù không có ánh sáng. Do

kể trong những ngày trời mát hay trong

đó nó vẫn hoạt động nhƣ bình thƣờng

mùa đông

vào mùa đông hay những ngày có nhiều
mây
Bề mặt hấp thụ nhiệt thì luôn luôn trực

Ánh sáng mặt trời chỉ trực giao với

giao với ánh sáng mặt trời do collector

collector trong một khoảng thời gian

làm bằng các ống tròn nên bề mặt của

ngắn

nó là các chỏm cầu
Sự hoạt động của nó vẫn diễn ra vào

Sự hoạt động nó bị giảm xuống 2 giờ

buổi chiều

chiều

Khả năng giải nhiệt kém vào ban đêm

Khả năng giải nhiệt tốt vào ban đêm

Diện tích lắp đặt nhỏ

Diện tích lắp đặt lớn hơn khi so sánh với
loại collector chân không ở cùng một
điều kiện làm việc

Nhiệt độ cao

Nhiệt độ thấp

Giá thành cao

Giá thành thấp

Khó chế tạo

Dễ chế tạo

Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 85

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

Qua việc phân tích ƣu nhƣợc điểm của 3 loại collector ta nhận thấy rằng
nhiệt độ của dung dịch làm việc bên trong collector tập trung và chân không là lý
tƣởng để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ. Tuy nhiên nó cũng có những nhƣợc điểm
là khó chế tạo, giá thành cao, khả năng giải nhiệt kém vào ban đêm. Do đó nếu sử
dụng loại này để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ thì cần phải có một thiết bị phụ để
giải nhiệt cho collector nhƣ là: ống nhiệt hoặc thermo-syphon. Do đó nó làm cho
giá thành thiết bị càng cao. Đối với collector chân không do khả năng chịu áp lực
cao của ống chân không là không cao và khả năng rò rĩ là rất lớn cho nên nếu sử
dụng loại collector này để cấp nhiệt thì phải sử dụng sơ đồ cấp nhiệt gián tiếp. Cho
nên hiệu quả làm việc của hệ thống cũng không cao.
Tóm lại trong điều kiện hoàn cảnh Việt Nam hiện nay thì collector dạng tấm
phẳng là sự lựa chọn thích hợp nhất. Đối với collector dạng ống hút chân không và
collector tập trung thì trong điều kiện Việt Nam hiện nay chƣa chế tạo đƣợc. Các
sản phẩm có trên thị trƣờng hiện nay hầu hết là hàng nhập khẩu. Mặt khác giá
thành của các loại này cũng rất cao.
Trên thực tế những dự án dùng năng lƣợng mặt trời để sản xuất nƣớc đá đã
đƣợc thử nghiệm thành công tại một số nƣớc nhƣ đã trình bày ở trên. Với hơn 40
hệ thống đã đƣợc lắp đặt trên thế giới và đến nay vẫn còn hoạt động tốt. Hệ thống
này đã chứng minh rằng việt sử dụng năng lƣợng mặt trời để chạy máy lạnh hấp
thụ sản xuất nƣớc đá là một dự án hoàn toàn khả thi. Tuy nhiên hầu hết các mô
hình đƣợc thực hiện ở trên đều sử dụng collector tập trung dạng máng trụ. Trong
điều kiện Việt Nam hiện nay thì việc chế tạo bộ thu tập trung và thiết bị định hƣớng
mặt trời là rất khó khăn, do đó kéo theo giá thành thiết bị tăng. So với collector tập
trung thì collector phẳng có hiệu suất và nhiệt độ thấp hơn, tuy nhiên việc chế tạo

dể dàng và giá thành của thiết bị thấp.
Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 86


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

Nhiệt độ làm việc của máy lạnh hấp thụ NH3 – H2O loại gián đoạn là từ 70 –
1200C. Dung dịch làm việc chứa trong collector ở trạng thái tĩnh, do đó với bộ thu
phẳng thì nhiệt độ dung dịch chứa trong collector có thể đạt đƣợc nhiệt độ yêu cầu.
Chọn kết cấu của collector dùng để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ nhƣ sau:
- Vật liệu chế tạo là thép đen vì môi chất sử dụng là NH3, có độ đen 𝜀 = 0,95
- Các ống mắc song song có hàn cánh để tăng diện tích trao đổi nhiệt
- Kết hợp tấm phản xạ để tăng khả năng nhận nhiệt vào buổi sáng và chiều
- Không sử dụng kết cấu bao che để thuận tiện cho quá trình giải nhiệt trong
quá trình hấp thụ.
5.5 Tính toán kích thƣớc của collector:
-

Ống góp trên:

Chọn chiều dài là 2,5 m
Đƣờng kính ngoài là 90mm, đƣờng kính trong là 85 mm
Thể tích ống góp trên là 14,18 lít
- Ống góp dƣới
Chiều dài là 2,5 m
Đƣờng kính ngoài là 50mm, đƣờng kính trong là 45mm

Thể tích ống góp dƣới là 3,97 lít
- Các ống nối
Chọn chiều dài của 1 ống là 2 m
Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 87


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

Đƣờng kính mỗi ống là 21mm, đƣờng kính trong là 19mm
Khoảng cách giữa các ống nối là 50mm, số ống nối là 35
Thể tích của các ống nối là 19,84 lít
Vậy tổng thể tích của collector là:
V = 14,18 + 3,97 + 19,84 = 38 lít
Diện tích trao đổi nhiệt trung bình của collector là:
S = 2 .2,5 = 5 m2
Khối lƣợng tổng của collector:
- Khối lƣợng của ống góp trên:
2
2
𝜋. (𝑑𝑛𝑔
− 𝑑𝑡𝑟
)
3,14159. (0,092 − 0,0852 )
𝑀𝑇 =
. 𝑕. 𝜌 =
. 2,5.7800

4
4

= 13,33𝑘𝑔
Khối lƣơng riêng của thép là 𝜌 = 7800 𝑘𝑔/𝑚3
- Khối lƣợng của ống góp dƣới
2
2
𝜋. (𝑑𝑛𝑔
− 𝑑𝑡𝑟
)
3,14159. (0,052 − 0,0452 )
𝑀𝑇 =
. 𝑕. 𝜌 =
. 2,5.7800 = 7,26𝑘𝑔
4
4

- Khối lƣợng của các ống nối:
2
2
𝜋. (𝑑𝑛𝑔
− 𝑑𝑡𝑟
)
3,14159. (0,0212 − 0,0192 )
𝑀𝑇 =
. 𝑛. 𝑕. 𝜌 =
. 35.2,5.7800
4
4

= 43 𝑘𝑔
Số ống là n = 35 ống
Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 88


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

- Khối lƣợng của các cánh:
𝑀𝑐 = 𝐿. 𝑊. 𝐻. 𝑚. 𝜌 = 2 .0,05. 0,002. 33.7800 = 51,48 𝑘𝑔
Số cánh m = 33 cánh
Bề rộng của cánh là W = 50 mm
Vậy khối lƣợng tổng của collector là M = 13,33 + 7,26 + 43 + 51,48 = 115,07 kg

Hình 5.2 Cấu tạo collector

Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 89


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

5.6 Nhiệt lƣợng cần cung cấp cho collector

5.6 .1 Nhiệt lƣợng cần thiết để làm cho 2,02 kg NH3 bay hơi.
Vào ban ngày collector đóng vai trò là bình phát sinh.
Quá trình cấp nhiệt cho collector có thể xem diễn ra các giai đoạn sau đây:
1. Giai đoạn cấp nhiệt cho collector từ áp suất ban đầu lên đến áp suất ngƣng
tụ:
Tƣơng ứng với áp suất ban đầu p1 = 2,85 bar; ta có i1 = 295,05 kJ/kg
Tại áp suất ngƣng tụ là p0 = 17,82 bar ; ta có i2 = 579,73 kJ/kg.
Lƣợng nhiệt cung cấp cho quá trình này là:
Q1 = G . ( i2 - i1 ) = 24,35 . (579,73 – 295,05) = 6931,95 kJ
2. Cấp nhiệt để bay hơi 2,02 kg NH3 :
Ở áp suất 17,82 nhiệt độ bay hơi tƣơng ứng của NH3 là 450C. Có ẩn nhiệt
hóa hơi là r = 1080,53 kJ/kg.
Lƣợng nhiệt cần cung cấp là :
Q2 = mNH3bh . r = 2,02 . 1080,53 = 2182,67 kJ
3. Cấp nhiệt cho dung dịch từ 800C đến 900C ở áp suất ngƣng tụ:
Q3 = (mdd – mNH3bh).( i3 – i2) = ( 24,35 – 2,02 ) ( 623,8 – 579,73) = 1072,22
kJ
4. Cấp nhiệt cho NH3 quá nhiệt từ 450C lên đến 900C:
Ở áp suất 17,82 nhiệt độ bay hơi là 450C. NH3 có entanpi tƣơng ứng là i’ =
410,49 kJ/kg.
Ở áp suất 17,82 nhiệt độ là 900C. NH3 có entanpi tƣơng ứng là i’’ = 1630
kJ/kg.
Nhiệt lƣợng cần cung cấp là:
Q4 = mNH3bh ( i’’ - i’ ) = 2,02 . ( 1630 – 410,49 ) = 2463,4 kJ
Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 90


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

Tổng nhiệt lƣợng cần cấp cho collector là :
Qt = Q1+ Q2 +Q3 +Q4 = 6931,95 + 2182,67 + 1072,22 + 2463,4 = 12650,24 kJ
= 3,5 KWh
Nhiệt lƣợng mà collector nhận vào một phần là cho dung dịch NH3 – H2O
chứa trong collector bay hơi và một phần chứa tích trƣc trong collector. Nhiệt
lƣợng tích trữ bên trong collector phụ thuộc vào nhiệt dung riêng của vật liệu chế
tạo và khối lƣợng của collector. Nhƣ vậy nếu khối lƣợng collector càng lớn thì
nhiệt lƣợng tích trữ bên trong collector càng lớn. Điều này vừa có lợi vừa có hại.
Điểm hại của nó là nhiệt lƣợng hữu ích mà dung dịch nhận đƣợc sẽ ít hơn. Nhƣng
điểm lợi của nó là nhờ nhiệt lƣợng tích trữ này sẽ làm chậm quá trình biến đổi nhiệt
độ của tấm hấp thụ khi các yếu tố bên ngoài thay đổi.
Ta có tổng nhiệt lƣợng dung dịch nhận đƣợc để làm bay hơi 2,02 kg NH3 và
nhiệt lƣợng tích trữ bên trong collector là:
Σ 𝑄 = 𝑄𝑡𝑡 + 𝑄𝑡 = 𝑀. 𝐶. Δt + Q t = 115,07 .0,46. 90 − 25 + 12650,24
= 16090,833 kJ = 4,47 kWh
Trong đó: M là khối lƣợng của collector M = 115,07 kg
C là nhiệt dung riêng của thép C = 0,46 J/kgK
Δt là độ chênh lệch nhiệt độ của collector vào đầu quá trình phát sinh và
cuối quá trình phát sinh.

Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 91


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

5.6.2 Tổn thất nhiệt của collector:
5.6.2.1 Tổn thất nhiệt ở phía trên của collector.
- Hệ số tỏa nhiệt đối lƣu giữa collector và không khí xung quanh :
Nhiệt độ môi trƣờng vào buổi sáng : 270C
Tốc độ gió chọn là : 3,5 m/s
Các thông số vật lý tƣơng ứng của không khí đƣợc tra từ bảng là:
𝜆 = 2,667 . 10−2 𝑊/𝑚độ
𝑎 = 22,45 . 10−6 𝑚2 /𝑠
𝜈 = 15,72 . 10−6 𝑚2 /𝑠
Từ đó ta có thể xác định đƣợc các tiêu chuẩn Pr và Re là:
𝜈 15,72.10−6
𝑃𝑟 = =
= 0,7
𝑎 22,45.10−6
𝑅𝑒 =

𝜔. 𝐿
𝜈

Khi tính theo công thức 10.45 [TL1-Tr389], ta có kích thƣớc xác định là:
𝐿=

𝑅𝑒 =

4. (2,5 .2)
= 2,22 (𝑚)
2. (2,5 + 2)

𝜔. 𝐿
3,5.2,22
=
= 494274,8
𝜈
15,72.10−6

Từ đó: 𝑁𝑢 = 0,86𝑅𝑒 1/2 𝑃𝑟 1/3 = 536,84
Nhƣ vậy hệ số tỏa nhiệt đối lƣu do gió là:
Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 92


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

𝑁𝑢. 𝜆 536 . 2,667.10−2
𝑊
𝛼𝑤 =
=
= 6,45 ( 2 )
𝐿
2,22
𝑚 độ
Sử dụng công thức 10.75 [TL1-Tr397] để tính hệ số tổn thất ở bề mặt phía trên của
collector:
𝑋=

𝑁. 𝑇𝑝
𝑇𝑝 − 𝑇𝑎
𝐶
𝑁+𝑓

𝑒

+

1
𝑎𝑤

Với
𝐶 = 520. (1 − 51.10−6 . 𝛽 2 ) = 514,033 với 𝛽 là góc nghiêng của collector chọn
150
e = 0,43 . ( 1 – 100/Tp) = 0,43 . (1 – 100/ 363) = 0,31159
Với Tp là nhiệt độ trung bình của bề mặt hấp thụ, K
Ta là nhiệt độ môi trƣờng xung quanh
𝑓 = (1 + 0,089. 𝛼𝑤 − 0,1166 . 𝛼𝑤 . 𝜀𝑝 ) . 1 + 0,07866 . 𝑁 = 0,927
Với 𝜀𝑝 = 0,95 − độ đen của bề mặt hấp thụ
N = 1 - số tấm phủ
Nhƣ vậy :
X = 0,3933 m2độ/W
𝑌 = 𝜍. 𝑇𝑝 + 𝑇𝑎 . 𝑇𝑝2 + 𝑇𝑎2 = 5,6697 . 10−8 . 363 + 300 . 3632 + 3002
= 8,336 𝑊/𝑚2 độ

Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 93

Luận văn tốt nghiệp

𝑍 = 𝜀𝑝 + 0,00591. 𝑁. 𝛼𝑤

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

−1

+

2𝑁 + 𝑓 − 1 + 0,133𝜀𝑝
−𝑁
𝜀𝑔

= 0,95 + 0,00591.1. 6,45

−1

+

2.1 + 0,927 − 1 + 0,133.0,95
−1
0,88

= 2,345
Hệ số tổn thất nhiệt ở phía trên:
𝑈𝑡 = 𝑋 −1 +

𝑌

8,336
W
= 0,3933−1 +
= 6,1 ( 2 )
𝑍
2,345
m độ

Nhƣ vậy tổn thất nhiệt lên phía trên của collector là:
𝑄𝑡𝑟 ê𝑛 = 2 . 2,5 . 6,1. 90 − 27 = 1921,5 𝑊
5.6.2.2 Tổn thất nhiệt phía dƣới:
𝑄𝑑ướ𝑖 = 𝛼. 𝐹. 𝑇𝑝 − 𝑇𝑎 = 6,45 .5 . 90 − 27 = 2031,75 𝑊
5.7 Bức xạ trung bình collector nhận đƣợc trong một ngày.
Nhiệt lƣợng bức xạ mặt trời trung bình trong ngày tai thành phố Hồ Chí
Minh là 4,72kW/m2/ngày.
Vậy tổng lƣợng bức xạ mặt trời trung bình mà collector nhận đƣợc trong một
ngày là
5 x 4,72 = 23,6 kWh. Chọn hiệu suất của collector là 30% [TL11-Tr47]. Vậy nhiệt
lƣợng thực tế mà collector nhận đƣợc trong 1 ngày là 23,6 x 0,3 = 7,08 kWh.
Vì thời gian bay hơi của dung dịch chỉ diễn ra trong một thời gian nhất định,
nhƣ đã chọn ở phần trên thời gian diễn ra quá trình bay hơi từ 9 giờ sáng đến 14 giờ
chiều. Vậy thời gian bay hơi là 5 giờ, trong thời gian này cƣờng độ bức xạ là cao

Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 94


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

nhất trong ngày, ta có thể xem trong thời gian này tổng bức xạ chiếm khoảng 70%
tổng bức xạ trong ngày.
Vậy nhiệt lƣợng thực mà collector nhận đƣợc là: 7,08 x 0,7 = 4,956 kWh
Collector còn có thêm hai tấm phản xạ do đó cƣờng độ bức xạ mặt trời tại bề mặt
collector sẽ lớn hơn so với kết quả ở trên.
Với kết quả tính toán sơ bộ ta thấy nhiệt lƣợng mà collector nhận đƣợc lớn hơn
nhiệt lƣợng cần thiết là 4,47 kWh. Nhƣ vậy collector thiết kế đã đáp ứng đƣợc nhu
cầu.
5.8 Tính kiểm tra khả năng giải nhiệt vào ban đêm của collector
Vào ban đêm collector đóng vai trò là bình hấp thụ:
Vào ban đêm hơi NH3 sau khi bay hơi ở bình bay hơi quay trở về collector bị
dung dịch loãng hấp thụ và nhả ra một lƣợng nhiệt ra môi trƣờng xung quanh. Ta
có phƣơng trình cân bằng nhiệt của collector nhƣ sau:
Gọi G4 là khối lƣợng dung dịch loãng chứa trong collector ở trạng thái 4 ( đầu
quá trình hấp thụ)
Gọi GNH3 là khối lƣợng NH3 đi vào collector
Gọi iNH3 là entapi của hơi NH3 trƣớc khi vào collector. Xem trạng thái hơi NH3
đi vào collector là hơi bão hòa khô.
Sau khi xảy ra quá trình hấp thụ thì dung dịch trong collector trở về trạng thái
1. Ở nhiệt đọ bay hơi là -100C và áp suất bay hơi là 2,908 bar. Ta có iNH3 = 1449,29
kJ/kg.

Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 95


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

Quá trình hấp thụ là quá trình đẳng tích:
𝑄𝑕𝑡 + 𝐺. 𝑖1′ + 𝑉 𝑝4 − 𝑝1 = 𝐺4 𝑖4′ + 𝐺𝑁𝐻3 𝑖𝑁𝐻3
→ 𝑄𝑕𝑡 = − 𝐺. 𝑖1′ − 𝑉 𝑝4 − 𝑝1 + 𝐺4 𝑖4′ + 𝐺𝑁𝐻3 𝑖𝑁𝐻3
= −24,35 . 295,05 − 38 2,34 − 2,85 + 22,33 .293,56
+ 2.02.1449,29 = 2317,67 𝑘𝐽
Thời gian làm đá chọn là 5 giờ cho nên thời gian hấp thụ và giải nhiệt cũng là 5
giờ:
𝑞𝑕𝑡 =

𝑄𝑕𝑡
2317,67
=
= 0,129 𝑘𝑊
5.3600
5.3600

Nhiệt độ môi trƣờng vào ban đêm chọn bằng 250C
Vận tốc gió chọn là 3,5 m/s
Hệ số tỏa nhiệt đối lƣu do gió ở phía trên và dƣới collector:
Các thông số vật lý tại 250C là:
𝜆 = 2,645 . 10−2 𝑊/𝑚độ
𝑎 = 22,15 . 10−6 𝑚2 /𝑠
𝜈 = 15,53 . 10−6 𝑚2 /𝑠
Từ đó ta có thể xác định đƣợc các tiêu chuẩn Pr và Re là:
𝜈 15,53.10−6
𝑃𝑟 = =
= 0,702

𝑎 22,15.10−6
𝑅𝑒 =
Nguyễn Văn Hòa - 20804232

𝜔. 𝐿
𝜈
Page 96


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

Khi tính theo công thức 10.45 [TL1-Tr389], ta có kích thƣớc xác định là:
𝐿=

𝑅𝑒 =

4. (2,5 .2)
= 2,22 (𝑚)
2. (2,5 + 2)

𝜔. 𝐿
3,5.2,22
=
= 500321,95
𝜈
15,53.10−6

Từ đó: 𝑁𝑢 = 0,86𝑅𝑒 1/2 𝑃𝑟 1/3 = 540,63

Nhƣ vậy hệ số tỏa nhiệt đối lƣu do gió là:
𝑁𝑢. 𝜆 540,63 . 2,645.10−2
𝑊
𝛼𝑤 =
=
= 6,44 ( 2 )
𝐿
2,22
𝑚 độ
Diện tích trao đổi nhiệt của collector:
F = 2.5 = 10 m2
Vậy ta xác định đƣợc nhiệt độ trung bình bề mặt collector là:
𝑡𝑝 =

𝑞𝑕𝑡
129
+ 𝑡𝑎 =
+ 25 = 27°𝐶
𝛼𝑤 . 𝐹
6,44 .10
Giả sử nhiệt độ dung dịch trong quá trình hấp thụ bằng với nhiệt độ trung bình

bề mặt collector là 270C. Nhƣ vậy ứng với nồng độ dung dịch loãng 47,42% và
nhiệt độ 270C ta xác định đƣợc áp suất bảo hòa tƣơng ứng là 2,535 bar. Nhƣ vậy áp
suất này nhỏ hơn áp suất bay hơi của NH3 là 2,908 bar trong bình bay hơi.Do đó
hơi NH3 sau khi bay hơi có thể quay về collector đƣợc.
Nhƣ vậy kích thƣớc collector đã chọn có thể đáp ứng đƣợc khả năng giải nhiệt cho
hệ thống.

Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 97


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

CHƢƠNG VI: CÁC DẠNG THIẾT BỊ NGƢNG TỤ
VÀ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ NGƢNG TỤ
6.1 Phân loại thiết bị ngƣng tụ:
Thiết bị ngƣng tụ có rất nhiều loại và nguyên lý làm việc cũng rất khác
nhau.Ngƣời ta phân loại thiết bị ngƣng tụ căn cứ vào nhiều đặc tính khác nhau. Ở
đây chúng ta phân loại theo môi trƣờng làm mát [TL4] :
- Thiết bị ngƣng tụ làm mát bằng nƣớc
- Thiết bị ngƣng tụ làm mát bằng nƣớc và không khí
- Thiết bị ngƣng tụ làm mát bằng không khí.
- Thiết bị ngƣng tụ làm mát bằng chất khác.
6.1.1 Bình ngƣng ống chùm nằm ngang
Bình ngƣng ống chùm nằm ngang là thiết bị ngƣng tụ sử dụng rất phổ biến
cho các hệ thống máy và thiết bị lạnh hiện nay[TL4]. Môi chất sử dụng có thể là
NH3 hoặc là freon. Đối với bình ngƣng NH3 các ống trao đổi nhiệt là các ống thép
áp lực C20 còn đối với bình ngƣng freon thƣờng sử dụng ống đồng có cánh về phía
môi chất lạnh.

Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 98

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

Hình 6.2: Bình ngưng Freon

Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 99


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

 Ƣu điểm
- Bình ngƣng ống chùm nằm ngang, giải nhiệt bằng nƣớc nên hiệu quả giải
nhiệt cao, mật độ dòng nhiệt khá lớn q = 3000 ÷ 6000 W/m2, k = 800 ÷ 1000
W/m2.K , độ chênh lệch nhiệt độ trung bình ∆𝑡 = 5 ÷ 6 K. Dễ dàng thay đổi
tốc độ nƣớc trong bình để có tốc độ thích hợp nhằm nâng cao hiệu quả trao
đổi nhiệt, bằng cách tăng số pass tuần hoàn nƣớc.
- Hiệu quả trao đổi nhiệt khá ổn định, ít phụ thuộc vào nhiệt độ môi trƣờng.
- Cấu tạo chắc chắn, gọn và rất tiện trong việc lắp đặt trong nhà, có suất tiêu
hao kim loại nhỏ, khoảng 40 ÷ 45 kg/m2 diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, hình
dạng đẹp phù hợp với yêu cầu thẩm mỹ công nghiệp.
- Có thể sử dụng một phần của bình để làm bình chứa, đặc biệt tiện lợi trong
các hệ thống lạnh nhỏ, ví dụ hệ thống kho lạnh.
- Ít hƣ hổng và tuổi thọ cao
 Nhƣợc điểm
- Đối với hệ thống lớn sử dụng bình ngƣng thích hợp vì khi đó đƣờng kính

bình quá lớn, không đảm bảo an toàn. Nếu tăng độ dày thân bình sẽ rất khó
gia công chế tạo. Vì vậy các nhà máy công suất lớn ít khi sử dụng bình
ngƣng.
- Khi sử dụng bình ngƣng, bắt buộc trang bị thêm hệ thống giải nhiệt gồm:
Tháp giải nhiệt, bơm nƣớc giải nhiệt, hệ thống đƣờng ống nƣớc, thiết bị phụ
Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 100


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

đƣờng ống nƣớc vv… nên tăng chi phí đầu tƣ và vận hành. Ngoài buồng
máy, yêu cầu phải có không gian thoáng bên ngoài đẻ đặt tháp giải nhiệt.
Quá trình làm việc của tháp luôn luôn kéo theo bay hơi nƣớc đáng kể, nên
chi phí nƣớc giải nhiệt khá lớn, nƣớc thƣờng làm ẩm ƣớt khu lân cận vì thế
nên bố trí xa công trình.
- Kích thƣớc bình tuy gọn nhƣng khi lắp đặt bắt buộc phải để dành khoảng
không gian cần thiết hai đầu bình để vệ sinh và sữa chữa khi cần thiết.
- Quá trình bám bẩn trên bề mặt đƣờng ống tƣơng đối nhanh, đặc biệt khi chất
lƣợng nguồn nƣớc kém.
Khi sử dụng bình ngƣng ống vỏ nằm ngang cần quan tâm chú ý hiện tƣợng
bám bẩn bề mặt bên trong các ống trao đổi nhiệt, trong trƣờng hợp này cần
vệ sinh bằng hóa chất hoặc cơ khí. Thƣờng xuyên cả cặn bẩn đọng lại ở tháp
giải nhiệt và bổ sung nƣớc mới. Xả khí và cặn đƣờng nƣớc.

Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 101


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

6.1.2 Bình ngƣng ống vỏ thẳng đứng:

Hình 6.3 Bình ngưng ống vỏ thẳng đứng
 Ƣu điểm:
Hiệu quả trao đổi nhiệt khá lớn, phụ tải nhiệt của bình đạt 4500W/m2 ở độ chênh
lệch nhiệt độ 4 ÷ 5K, tƣơng đƣơng hệ số truyền nhiệt k = 800 ÷ 1000 W/m2K

Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 102


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

- Thích hợp cho hệ thống công suất trung bình và lớn, không gian lắp đặt chật
hẹp, phải bố trí bình ngƣng ở ngoài trời.
- Do các ống trao đổi nhiệt đặt thẳng đứng nên khả năng bám bẩn ít hơn so với
bình ngƣng ống chùm nằm ngang, do đó không yêu cầu chất lƣợng nguồn
nƣớc cao lắm.
- Do kết cấu thẳng đứng nên lỏng môi chất và dầu chảy ra ngoài khá thuận lợi,
việc thu hồi dầu cũng dễ dàng. Vì vậy bề mặt trao đổi nhiệt nhanh chóng

đƣợc giải phóng để cho môi chất làm mát.
 Nhƣợc điểm:
- Vận chuyển , lắp đặt, chế tạo, vận hành tƣơng đối phức tạp.
- Lƣợng nƣớc tiêu thụ khá lớn nên chỉ thích hợp những nơi có nguồn nƣớc dồi
dào và rẻ tiền.
- Đối với hệ thống rất lớn sử dụng bình ngƣng kiểu này không thích hợp, do
kích thƣớc cồng kềnh, đƣờng kính bình quá lớn không đảm bảo an toàn.
6.1.3 Thiết bị ngƣng tụ kiểu ống lồng ống
Thiết bị ngƣng tụ kiểu ống lồng ống cũng là dạng thiết bị ngƣng tụ giải nhiệt
bằng nƣớc, chúng đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong các máy lạnh nhỏ đặc biệt
trong các máy điều hòa không khí công suất trung bình.

Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 103


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

Thiết bị gồm 2 ống lồng vào nhau và thƣờng đƣợc cuộn lại cho gọn. Nƣớc
chuyển động ở ống bên trong, môi chất lạnh chuyển động ngƣợc lại ở phần
không gian giữa các ống, ống thƣờng sử dụng là ống đồng ( hệ thống freon) và
có thể sử dụng ống thép.

Hình 6.4 Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống
 Ƣu điểm : có hiệu quả trao đổi nhiệt khá lớn, gọn
 Nhƣợc điểm: Chế tạo khá khó khăn, các ống lồng vào nhau sau đó đƣợc
cuộn lại cho gọn, nếu không có biện pháp chế tạo đặc biệt, các ống dễ bị

móp, nhất là ống lớn ở ngoài, dẫn đến tiết diện bị thắt, ảnh hƣởng đến sự lƣu
chuyển của môi chất bên trong.

Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 104


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. BÙI NGỌC HÙNG

6.1.4 Thiết bị ngƣng tụ kiểu tấm bản
Thiết bị ngƣng tụ kiểu tấm bản đƣợc ghép từ nhiều tấm kim loại ép chặt với nhau
nhờ hai nắp kim loại có độ dày cao. Các tấm dập gợn sóng. Môi chất lạnh và nƣớc
giải nhiệt đƣợc bố trí đi xen kẻ nhau.

Hình 6.5 Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản
Nguyễn Văn Hòa - 20804232

Page 105