Xây dựng phần mềm thiết kế máy lạnh hấp thụ h2o libr

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------o0o----------------

HOÀNG AN QUỐC

XÂY DỰNG PHẦN MỀM THIẾT KẾ
MÁY LẠNH HẤP THỤ H2O-LiBr
Chuyên Ngành: Công Nghệ Nhiệt
Mã Số: 60.52.80

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 7 NĂM 2004


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học:

PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc só được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM, ngày …..tháng…..năm 2004

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCK KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: HOÀNG AN QUỐC
Phái: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 13-05-1974
Nơi sinh: Quảng Bình
Chuyên ngành: Công nghệ Nhiệt
Mã số: 60.52.80
I. TÊN ĐỀ TÀI:
XÂY DỰNG PHẦN MỀM THIẾT KẾ MÁY LẠNH HẤP THỤ H2O-LiBr
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Đại cương về máy lạnh hấp thụ
2. Cơ sở lý thuyết tính toán máy lạnh hấp thụ
3. Xây dựng phần mềm tính toán
4. Thí nghiệm trên máy vi tính
5. Đánh giá kinh tế và tính toán áp dụng
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
09-02-2004
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
09-07-2004
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP
VI. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1:
VII. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2:

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP

PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP

PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
Ngày tháng năm 2004
KHOA QUẢN LÝ NGÀNH
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

( Ghi chú: Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ này vào trang đầu tiên của tập thuyết minh luận văn).


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tác giả luận văn

HOÀNG AN QUỐC

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành nhất đến PGS.TS Lê
Chí Hiệp đã tận tình hướng dẫn và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng quý giá cho
nội dung luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn đến PGS.TS. Hoàng Đình Tín, TS. Lê Xuân
Hòa đã có nhiều ý kiến đóng góp cho việc hoàn thành nội dung khoa học của
luận văn.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô và anh em trong Bộ môn Công
nghệ Nhiệt – Điện lạnh trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí
Minh đã giúp đỡ tác giả góp phần vào sự thành công của luận văn.
Thành công của luận văn còn thể hiện biết ơn sâu sắc đến những người thân,
thương và bạn bè đồng nghiệp đã hỗ trợ và động viên tác giả trong suốt thời gian
thực hiện luận văn này.


TÓM TẮT
Máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr ngày nay đang lôi cuốn sự chú ý của công chúng,
bởi nó có thể sử dụng nhiệt năng (không phải là điện năng), do đó nó có khả năng
tận dụng được nhiệt thải hoặc năng lượng tái tạo. Ngoài ra việc sử dụng dung
dịch H2O-LiBr trong máy lạnh hấp thụ thay cho các môi chất lạnh như HCFC
hoặc HFC nhằm hạn chế được tình trạng phá huỷ tầng Ozne và giảm nguy cơ gây
ra hiệu ứng nhà kính.
Nội dung của quyển luận văn này đã trình bày nguyên lý hoạt động của máy
lạnh hấp thụ H2O-LiBr Single Effect và Doubl Effect, mô tả một số mô hình toán
học để tính toán nhiệt động và truyền nhiệt của máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr.
Trên cơ sở đó, tác giả đã xây dựng được phần mềm tính toán thiết kế máy lạnh
hấp thụ H2O-LiBr loại Single Effect và Double Effect với những phương án cấp
nhiệt, giải nhiệt và cấp dịch khác nhau.
Luận văn đã tiến hành thí nghiệm trên máy vi tính để đưa ra biện pháp vận
hành tối ưu nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt của hệ thống, khảo sát được sự ảnh

hưởng của nhiệt độ nước làm mát đến nồng độ dung dịch loãng, ảnh hưởng của
nhiệt độ nước cần làm lạnh và nhiệt độ nước giải nhiệt đến hệ số hiệu quả (COP)
của máy lạnh hấp thụ. Từ việc phân tích kinh tế-kỹ thuật, tác giả đã đề xuất được
phương án lựa chọn cho một số ứng dụng cụ thể ở Việt Nam.
Luận văn đã đánh giá kinh tế của các hệ thống thu hồi nhiệt thải cung cấp
nhiệt cho máy lạnh hấp thụ, tính toán vốn đầu tư và giá vận hành, thời gian chênh
lệch thu hồi vốn của máy lạnh hấp thụ và máy lạnh máy nén hơi cho các năng
suất lạnh khác nhau. Luận văn cũng đã tính toán tận dụng nhiệt thải từ động cơ
máy phát điện diesel của nhà máy điện AMATA Biên Hòa Đồng Nai để vận
hành máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr.
Những kết quả của luận văn có thể dùng để tham khảo trong việc chọn lựa
phương án thiết kế và điều kiện vận hành của máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr ở Việt
Nam.


ABSTRACT
The water-lithium bromide absorption chiller is now attracting the attention of
the community, since the system can be powered by heat (not electricity), thus it
can be operated on waste heat or renewable energies. In addition, the use of
water-lithium bromide solution instead of refrigerants such as HCFC or HFC to
limit the ozone depletion potential (ODP) and reduce the global warming
potential (GWP).
The objectives of this thesis include an introduction to working principle of
Single Effect and Double Effect water-lithium bromide absorption chillers.
Author has established a mathematical model to calculate the thermodynamic
and heat transfer of a water-lithium bromide absorption chiller. The computer
software for calculate and design water-lithium bromide absorption chiller based
on the model is developed with various heat supply, cooling and solution supply.
Computational experiments were done to find out the optimum operational
option for water-lithium bromide absorption chiller to improve the coefficient of

performance (COP). The study reported that theoretically the effect of chilled
water and cooling water on the coefficient of performance (COP) of the Single
Effect and Double Effect absorption chiller is investigated. From the analysis of
technical and economic characteristics, author has promoted the options for some
specific applications in Vietnam.
Thesis has also evaluated the economic of systems using waste heat to
operate absorption chiller. Evaluation of the capital, operating costs and
differential payback for a water-lithium bromide absorption chiller and a
conventional chiller has been done with a various cooling capacity. The
calculation of waste heat recovery from diesel engines of AMATA BIEN HOA
DONG NAI Power Plant for a water-lithium bromide absorption chiller has been
also done.
The result of this thesis can be used as guide in choosing operational
conditions or designing a water-lithium bromide absorption chiller in Vietnam.


MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU
Chương 1 - TỔNG QUAN

1

1.1 Tình hình sử dụng máy lạnh trên thế giới và Việt Nam

1

1.2 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu

3

1.3 Tổng quan về máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr

3

1.3.1 Máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr Single Effect

7

1.3.2 Máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr Double Effect

11

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN

19

2.1 Các công thức tính toán

19

2.2 Tính toán nhiệt của máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr Single Effect

27

2.2.1 Tính toán nhiệt động

27

2.2.2 Tính toán truyền nhiệt

33

2.2.3 Tính toán lưu lượng bơm và suất tiêu hao nhiên liệu

36

2.3 Tính toán nhiệt máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr Double Effect

38

2.3.1 Máy lạnh hấp thụ Double Effect cấp dịch nối tiếp

38

2.3.2 Máy lạnh hấp thụ Double Effect cấp dịch song song

44

Chương 3 - XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN

47

3.1 Sơ đồ lưu chuyển của chương trình

47

3.2 Thiết kế giao diện người sử dụng

48

3.3 Viết Code cho chương trình

55

Chương 4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN

56

4.1 Máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr Single Effect:

56

4.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát đến COP

56

4.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ cần làm lạnh đến COP

57

4.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát đến
nồng độ dung dịch loãng

59


4.2 Máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr Double Effect:

60

4.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nước cần làm lạnh đến COP

60

4.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát đến COP

61

4. 3 Đánh giá độ tin cậy của phần mềm

62

4.4 Kết luận

67

Chương 5 - TÍNH TOÁN KINH TẾ VÀ ÁP DỤNG

68

5.1 Đánh giá kinh tế dự án

68

5.2 So sánh giá của máy lạnh hấp thụ với máy lạnh máy nén hơi

76

5.3 Phân tích kinh tế

78

5.3 Tính toán áp dụng cho nhà máy điện AMATA

83

KẾT LUẬN

89

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

91

TÀI LIỆU THAM KHẢO

92

PHỤ LỤC

94

Phụ lục 1:

PHẦN MỀM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY LẠNH
HẤP THỤ H2O-LiBr SINGLE EFFECT

Phụ lục 2:

95

PHẦN MỀM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY LẠNH
HẤPTHỤ H2O-LiBr DOUBLE EFFECT

107

Phụ lục 3:

CÁC CHƯƠNG TRÌNH CON

126

Phụ lục 4:

THIẾT KẾ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC
CỦA MÁY LẠNH HẤP THỤ

130

Phụ lục 5:

BẢNG BÁO GIÁ CỦA NHÀ SẢN XUẤT

132

Phụ lục 6:

BẢNG BÁO GIÁ CỦA CÔNG TY HEXA THAILAND
CORPORATION LTD.

141


CÁC KÝ HIỆU
a
A
AB
B
C
cp
c
COP
D
d
E
F
g
G
HE
h
IRR
k
MLHT
Mh
NPV
p
Q,q
r
s

T, t
Ts (p)
TBTĐN
u

bội số tuần hoàn
bình phát sinh
bình phát sinh – ngưng tụ
bình ngưng tụ
bình bay hơi
nhiệt dung riêng
nồng độ của dung dịch, nhiệt dung riêng
hệ số hiệu quả của MLHT
bình hấp thụ
đường kính, độ chứa hơi
bơm dung dịch
diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
gia tốc trọng trường
khối lượng
thiết bị trao đổi nhiệt
enthalpy
suất thu hồi vốn nội bộ
hệ số truyền nhiệt
máy lạnh hấp thụ
suất tiêu hao hơi gia nhiệt
giá trị hiện tại ròng
áp suất tuyệt đối
nhiệt lượng
nhiệt ẩn hoá hơi, lãi suất chiếu khấu
entropy

nhiệt độ
nhiệt độ bão hoà ứng với áp suất p
thiết bị trao đổi nhiệt
nội năng


MỞ ĐẦU
Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày
càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí
thiên nhiên, thuỷ điện… thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu
hụt năng lượng. Vấn đề sử dụng năng lượng sao cho hiệu quả đang là một thách
thức lớn đối với các nhà khoa học và sản xuất. Hiện nay, xu hướng tận dụng nhiệt
thải từ các nhà máy công nghiệp như nhà máy dệt, nhà máy sấy, nhà máy điện …
đang là xu hướng toàn cầu hóa.
Song song với vấn đề trên, tình trạng ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính
và tình trạng phá hủy tầng Ozone do các chất thải ra từ các nhà máy cũng đang là
vấn đề cấp bách hàng đầu cho các nhà khoa học. Đã có các cuộc họp quốc tế như
hội nghị Kyoto diễn ra gần đây với qui mô lớn của các quốc gia hàng đầu về công
nghệ để đi đến vấn đề giảm thiểu lượng khí CO2 thải ra hàng năm nhằm giảm
mức độ hủy hoại tầng Ozone và làm chậm lại tốc độ gia tăng hiệu ứng nhà kính.
Chính vì lý do đó, nhu cầu về nguồn năng lượng sạch, công nghiệp sạch
cũng là một giải pháp hướng đến trong tương lai gần, như các nguồn năng lượng
mặt trời, nguồn năng lượng gió, năng lượng thủy triều… đang được nghiên cứu và
phát triển rộng rãi tại nhiều quốc gia tiên tiến trên thế giới.
Đối với Việt Nam chúng ta hiện nay, việc áp dụng công nghệ sạch vào công
nghiệp còn khá ít, tuy nhiên trong tương lai gần theo xu thế phát triển chung của
thế giới thì việc phải thực hiện các giải pháp sạch và xanh trong sản xuất và trong
sinh hoạt là điều tất yếu phải xảy ra.
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp thì nhu cầu về làm
lạnh và điều hòa không khí cũng đang là một ngành công nghiệp đóng vai trò

then chốt, công nghệ làm lạnh và điều hòa không khí tham gia vào tất cả các quá
trình công nghệ sản xuất và đời sống sinh hoạt. Hiện nay tình trạng sử dụng các
loại tác nhân lạnh clorofluorocarbons (CFCs) trong công nghệ làm lạnh và điều
hòa không khí là nguyên nhân chính gây ra tình trạng phá hủy tầng Ozone đang
được loại bỏ dần để thay thế các loại tác nhân lạnh sạch hơn, đồng thời việc sử
dụng hiệu quả nguồn năng lượng hiện có là vấn đề hàng đầu của các nhà thiết kế
và sản xuất.
Chu trình máy lạnh hấp thụ đã đưa ra một giải pháp cho vấn đề trên, tránh
được việc sử dụng tác nhân lạnh CFCs hơn nữa nó có thể hoạt động bằng năng
lượng nhiệt thải hoặc những năng lượng tái tạo khác làm giảm nhu cầu điện năng.
Chính vì lý do đó mà máy lạnh hấp thụ ngày càng lôi cuốn sự quan tâm của các
nhà nghiên cứu trên thế giới và có nhiều tác giả đã nghiên cứu về máy lạnh hấp


thụ như: Eames et al (1995:711) đã đưa ra nghiên cứu sử dụng nhiệt thải từ động
cơ đốt trong sử dụng cho máy lạnh hấp thụ NH3-H2O, Trepp (1987:40-48) nghiên
cứu áp dụng máy lạnh hấp thụ sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, Christen
(1977:123) đã phát triển máy lạnh hấp thụ sử dụng nước nóng…
Có nhiều loại máy lạnh hấp thụ, nhưng trên thị trường thế giới hiện đang có
hai loại chính đó là máy lạnh hấp thụ NH3-H2O và máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr.
Trong quyển luận văn này, chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu về máy lạnh hấp
thụ H2O-LiBr sử dụng các nguồn nhiệt khác nhau để có thể từng bước đưa vào sử
dụng hiệu quả trong lónh vực điều hòa không khí ở Việt Nam.


-1-

Chương 1- TỔNG QUAN
1.1 Tình hình sử dụng Máy lạnh hấp thụ trên thế giới và ở Việt Nam
Máy lạnh hấp thụ được nghiên cứu bởi một người Pháp tên là Ferdinad Carre

vào giữa thế kỷ 19 và Bằng sáng chế đầu tiên về làm lạnh hấp thụ được cấp vào
năm 1859, hệ thống máy lạnh hấp thụ đầu tiên được ra đời vào năm 1860. Nó
được phát triển tại Mỹ vào những thập niên 60 và 70, và sau đó là phát triển
mạnh mẽ ở Nhật Bản, Trung Quốc, Nga, Hàn Quốc.... Ngày nay máy lạnh hấp
thụ đang ngày càng phổ biến hơn ở những nước phát triển. Các máy lạnh hấp thụ
lớn, hiệu suất cao, sử dụng dung dịch H2O-LiBr hiện đang thống trị thị trường
máy điều hòa nhiệt độ Nhật Bản và Mỹ.
Ngày nay sản phẩm máy lạnh hấp thụ được hầu hết các hãng chế tạo máy
lạnh danh tiếng trên thế giới cung cấp cho thị trường. Sản phẩm này rất đa dạng
về mặt cấu tạo, chủng loại tùy thuộc vào nguyên lý, mục đích sử dụng, năng
lượng cung cấp v.v… Các sản phẩm máy lạnh hấp thụ trên thị trường hiện nay có
công suất từ 10 tấn lạnh cho đến 1600 tấn lạnh (35kW đến 5600kW) chủ yếu
được sản xuất bởi các hãng máy lạnh nổi tiếng trên thế giới như: Trane, York,
Sanyo, Carrier, Mycom, McQuay, Shandong, Shijiazhuang v.v… Với mỗi loại sản
phẩm máy lạnh hấp thụ này có những đặc thù riêng về tính năng, cấu tạo các chi
tiết. Các bí quyết về công nghệ đã tạo ra những thế mạnh khác nhau của từng
hãng.
Nhìn chung các sản phẩm máy lạnh hấp thụ trên thị trường thế giới hiện nay
rất đa dạng và phong phú như một số sản phẩm sau:
-

Máy lạnh hấp thụ Single-Effect, đốt gián tiếp (sử dụng hơi hoặc nước
nóng) Model 16JB có năng suất lạnh từ 108 đến 680 tấn lạnh (380 –
2392kW) là sản phẩm của hãng Carrier.

Hình 1.1: MLHT Single Effect đốt gián tiếp


-2-

-

Máy lạnh hấp thụ Double-Effect, đốt trực tiếp (bằng gas hoặc dầu) Model
ABDL có năng suất lạnh từ 100 đến 1100 tấn lạnh (350 – 3850kW) là sản
phẩm của hãng Trane.

Hình 1.2: MLHT Double Effect H2O-LiBr đốt trực tiếp
-

Máy lạnh sử dụng năng lượng mặt trời: loại thiết bị này ngày càng được
ứng dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiên các hệ thống này vẫn chưa được
thương mại hoá và sử dụng rộng rãi vì giá thành còn rất cao và hơn nữa
các bộ thu dùng trong các hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳng với hiệu
suất còn thấp (dưới 45 %) nên diện tích lắp đặt bộ thu rất lớn do đó chưa
phù hợp với yêu cầu thực tế.

Hình 1.3: MLHT sử dụng năng lượng mặt trời
Ở Việt Nam, do giá thành quá đắt nên MLHT chưa được sử dụng nhiều, việc
tính toán thiết kế MLHT chưa được đề cập đến. Hiện tại, có hai khách sạn năm
sao ở Tp. Hồ Chí Minh dùng các tủ tạnh hấp thụ ELECTROLUX gas NH3 chạy
bằng dây điện trở, Khoa Công nghệ Nhiệt-Điện lạnh trường Đại học Bách khoa
Đà Nẵng có một MLHT NH3-H2O phục vụ cho việc nghiên cứu thí nghiệm, còn
hệ thống điều hòa không khí trung tâm thì có các nhà máy như Công ty dệt Việt
Thắng, nhà máy bột ngọt VEDAN, nhà máy điện Hiệp Phước, Coâng ty Honda


-3-

Vónh Phú, Siêu thị Cora Đồng Nai… dùng máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr đốt dầu,
khí đốt hoặc tận dụng nhiệt khói thải của cụm máy phát điện….

1.2 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu
Vấn đề nghiên cứu thiết kế, ứng dụng MLHT sử dụng nguồn nhiệt nào là hợp
lý đã và đang được các nhà nghiên cứu trên thế giới cũng như các nhà nghiên cứu
của Việt Nam quan tâm. Tuy nhiên việc sử dụng các bảng và đồ thị để tra các
thông số theo phương pháp cổ điển gặp rất nhiều khó khăn và mất rất nhiều thời
gian.
Để giải quyết những vướng mắc trên, mục tiêu của luận văn này chúng tôi
thiết kế một phần mềm tính toán thiết kế MLHT H2O-LiBr Single Effect và
Double Effect với nhiều phương án cấp nhiệt và làm mát khác nhau nhằm giúp
cho người sử dụng chọn lựa phương án phù hợp và đạt hiệu quả nhất.
Để đạt được mục tiêu đã đề ra ở trên của luận văn thì phương pháp nghiên
cứu cụ thể là:
-

Nghiên cứu lý thuyết về MLHT H2O-LiBr để tính toán thiết kế hai loại
Single Effect và Double Effect

-

Xây dựng phần mềm tính toán cho hai loại MLHT trên

-

Tiến hành thí nghiệm trên máy vi tính để đưa đến phương án cấp nhiệt và
chế độ làm việc tối ưu của hệ thống.

-

Tiến hành phân tích kinh tế cho hệ thống.

1.3 Tổng quan về máy lạnh hấp thụ
Khác với máy lạnh máy nén hơi, năng lượng sử dụng cho MLHT chủ yếu là
nhiệt năng và môi chất sử dụng cho MLHT dung dịch của hai chất thuần khiết
khác nhau, yêu cầu của chúng là không tác dụng hoá học với nhau và có nhiệt độ
sôi khá cách biệt nhau khi ở cùng điều kiện áp suất. Hai chất thuần khiết trong
dung dịch này thì một chất đóng vai trò là tác nhân lạnh còn chất kia là dung môi
đóng vai trò là chất hấp thụ.
Dưới đây là bảng trình bày một vài dung dịch có thể sử dụng được trong các
hệ thống MLHT. Trong số các dung dịch trong bảng thì loại được sử dụng phổ
biến hơn hết là hai cặp dung dịch NH3-H2O và H2O-LiBr. Do các tính chất của
nhiệt động đặc trưng của từng loại dung dịch thì trong MLHT người ta sử dụng
dung dịch NH3-H2O khi cần làm lạnh dưới 0 0C và sử dụng dung dịch H2O-LiBr
khi cần làm lạnh trên 0 0C. Còn một điểm khác biệt nữa của hai hệ thống MLHT
này là áp suất làm việc của hệ thống sử dụng dung dịch NH3-H2O là khá cao; còn


-4-

đối với dung dịch H2O-LiBr thì thường là áp suất âm và tùy theo một vài chu
trình thì có thể làm việc với áp suất dương, nhưng nói chung không cao lắm.
Chính vì thế với hai loại máy lạnh hấp thụ này thì kết cấu của chúng cũng sẽ
khác nhau nhiều. Nhưng với yêu cầu đặt ra của luận văn này chúng tôi chỉ chủ
yếu đề cập đến MLHT làm việc với dung dịch H2O-LiBr.
Bảng 1.1
Chất bay hơi
NH3
NH3
NH3
NH3
NH3

NH3
NH3
NH3
CH3NH2
CH3NH2
C2H5NH2
CH3OH
CH3OH
CH3OH
CH3OH
CH3OH
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O

Chất hấp thụ
H2O
LiSCN
NaSCN

KSCN
NH4SCN
LiNO3
NaI-NaSCN
HO(CH2)4OH
H2O
LiCl
H2O
LiCl
LiBr
ZnBr2
LiBr-ZnBr2
LiI-ZnBr2
LiBr
LiCl
LiI
CaCl2
LiBr-LiCl
LiBr-LiSCN
LiBr-ZnBr2-CaBr2
LiBr-C2H6O2
LiCl-CaCl2
LiCl-LiNO3
LiCl-CsCl
LiCl-Ca(NO3)2
CaCl2-MgCl2-KCl
LiCl-CaCl2-Mg(NO3)2


-5-

• Đặc tính của dung dịch H2O-LiBr.
LiBr ở dạng tinh thể không màu gần giống như NaCl, nếu không ngậm nước
thì nóng chảy ở nhiệt độ 549 0C và sôi ở nhiệt độ 1265 0C, tính chất hoá học ổn
định ở điều kiện khí trời không biến chất, không phân giải.
LiBr hoà tan vào trong nước và tạo thành dung dịch H2O-LiBr. Nồng độ
dung dịch lớn nhỏ dựa trên cơ sở tính theo phần trăm khối lượng LiBr có trong
dung dịch. Ví dụ: có G1 kg LiBr hoà tan vào G 2 kg nước thì khối lượng của dung
dịch là G1 + G 2 và nồng độ dung dịch được tính theo công thức:
c=

G1
× 100 %
G1 + G 2

Dung dịch H2O-LiBr là một chất lỏng nhưng nó khác với chất lỏng thuần
khiết, ví dụ ở áp suất khí quyển 1 bar thì nước sôi ở nhiệt độ 100 0C, nhưng cũng
ở áp suất khí quyển 1 bar thì nhiệt độ bão hòa của dung dịch H2O-LiBr thay đổi
tuỳ theo nồng độ, cụ thể nồng độ của dung dịch lần lượt là 40 %, 50 %, 60 % thì
nhiệt độ bão hòa tương ứng là 113 0C, 130 0C, 150 0C.
-

Nếu ở cùng nhiệt độ bão hòa so với nước thuần khiết thì phân áp suất của
hơi nước trong dung dịch rất nhỏ so với áp suất nước thuần khiết, do đó
dung dịch H2O-LiBr có tính hút nước rất mạnh.

-

Nhiệt độ bão hòa của dung dịch có quan hệ với áp suất và nồng độ
t = f ( p, c ) , nhiệt độ bão hòa của dung dịch thay đổi tùy theo nồng độ, nồng

độ càng cao thì nhiệt độ bão hòa càng lớn.

-

Dung dịch H2O-LiBr ở nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp rất dễ phát sinh
hiện tượng kết tinh.

-

Đối với kim loại thông thường nó ăn mòn rất mạnh.
• Đồ thị logp-t.


Đ

øn
ươ

gk

t
e át

in h

Nhiệt độ bão hoà của nước thuần khiết

%

%

70

60

40 30
% % 0%

Áp suất

-6-

Nhiệt độ dung dịch

Hình 1.4 Đồ thị logp-t của dung dịch H2O-LiBr
Đồ thị log p-t cũng thường được dùng để biểu diễn các quá trình diễn ra
trong máy lạnh hấp thụ làm việc với dung dịch H2O-LiBr. Trong trường hợp này,
đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ bão hòa của hơi nước với các
thông số như nhiệt độ và nồng độ dung dịch. Đồ thị log p-t trình bày ở hình 1.4
còn được gọi là giản đồ Duhring. Trục hoành của đồ thị biểu diễn nhiệt độ của
dung dịch, trục tung biểu diễn áp suất và nhiệt độ bão hòa tương ứng của hơi
nước. Các giá trị áp suất trên trục tung được chia theo thang chia logarithm. Ở
một số trường hợp, các giá trị này có thể được bố trí trên đường nằm nghiêng
song song với đường c = 0 % để dễ đọc. Quan sát đồ thị log p-t ở hình 1.4, ta thấy
ở phía dưới đồ thị, về phía phải, có đường kết tinh. Điều này có nghóa là, ứng với
dung dịch có trạng thái ban đầu nào đó, nếu áp suất giảm và nhiệt độ tăng đến
một mức giới hạn thì dung dịch mất đi tính đồng thể, có nghóa là một bộ phận
dung dịch sẽ bị kết tinh lại.
• Đồ thị entanpi dung dịch-nồng độ (đồ thò h-c).

-7-

h
(kJ/kg)

hụ
øng p
ơ
ư
Đ

B

715 0C

6,4 mmHg

6,4

60 C
0

mm
Hg

0

A

40 0

C

58%

c (%)

Hình 1.5 Đồ thị h-c của dung dịch H2O-LiBr
Đồ thị này cho biết mối quan hệ giữa entanpi, nồng độ, nhiệt độ và áp suất
của dung dịch. Đối với dung dịch bão hòa, nếu biết hai thông số thì có thể xác
định hai thông số còn lại, đồ thị này rất quan trọng khi phân tích về máy lạnh hấp
thụ H2O-LiBr.
Đồ thị phân thành 2 phần:
-

Đường phía dưới (phần dưới) là đường cong trạng thái dung dịch sôi

-

Phần trên đường phụ trợ đẳng áp hơi nước tương ứng với dung dịch cân
bằng.

Dựa theo nguyên lý làm việc của MLHT H2O-LiBr người ta chia chúng ra
làm 4 loại:
• Single Effect:
• Double Effect
• Triple Effect
• Half Effect
Do thời gian thực hiện luận văn có hạn nên chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu 2
loại sơ đồ là Single Effect và Double Effect.
1.3.1 Máy lạnh hấp thụ Single Effect

Sơ đồ nguyên lý của máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr loại Single Effect được trình
bày ở Hình 1.6. Trong sơ đồ này, ta gọi A là bình phát sinh (Generator), B là bình


-8-

ngưng tụ (Condenser), C là bình bay hơi (Evaporator), D là bình hấp thụ
(Absorber), HE là thiết bị trao đổi nhiệt và E là bơm dung dịch.

Nước làm mát
B
A
Hơi gia nhiệt

Nước cần làm lạn h

Ốn g giảm áp

C

Nước làm mát

D
HE

Ốn g chón g kết tinh
Bơm chân khôn g

Hình 1.6 Máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr loại Single Effect.
Quá trình thực hiện của máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr dựa vào đặc tính của

dung dịch H2O-LiBr ở nhiệt độ thấp nó hấp thụ hơi nước rất mạnh, còn ở nhiệt độ
cao lại giải phóng hơi nước đã hấp thụ. Dựa vào đặc tính này để hoàn thành chu
trình công tác.
Dung dịch loãng trong bình hấp thụ D được bơm qua HE vào bình phát sinh A,
dung dịch được hơi nước gia nhiệt, vì nước có nhiệt độ sôi rất thấp so với LiBr do
đó dung dịch loãng được gia nhiệt đến nhiệt độ nhất định. Hơi tác nhân lạnh ở
trạng thái quá nhiệt bay ra từ bình phát sinh vào bình ngưng tụ B được làm mát
bằng nước giải nhiệt và ngưng tụ thành lỏng tác nhân lạnh.
Lỏng tác nhân lạnh đi qua ống tiết lưu chữ U vào bình bay hơi C và được bơm
lên phun thành giọt nhỏ trên bề mặt chùm ống bay hơi.
Nước tác nhân lạnh hấp thụ nhiệt của nước cần làm lạnh và bay hơi, hơi tác
nhân lạnh đi qua tấm chắn phân ly nước rồi đi xuống bình hấp thụ D. Dung dịch
trung gian trong bình hấp thụ được bơm đẩy phun giọt nhỏ để hấp thụ hơi tác


-9-

nhân lạnh và trở thành dung dịch loãng, trong quá trình hấp thụ có sản sinh ra
nhiệt nên cần phải làm mát cho bình hấp thụ.
Chu trình máy lạnh thể hiện trên đồ thị h-c như hình vẽ

h
3'

pk

4'

p0

5'
1'

pk

3
1

p0
7

5

4
9

2
cw

8
10
ci cs

c

Hình 1.7 Đồ thị h-c của máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr Single Effect
• Quá trình phát sinh
Điểm 2 dung dịch H2O-LiBr có nồng độ loãng cw, áp suất po, nhiệt độ t2 biểu
thị trạng thái dung dịch sau khi đi ra khỏi bình hấp thụ. Khi qua bơm cấp dịch áp
suất tăng lên đến áp suất pk đẩy vào HE, trong điều kiện đẳng áp nó là điểm 7,

nồng độ không đổi, nhiệt độ tăng từ t2 đến t7. Đường 2-7 trên đồ thị biểu thị quá
trình nhận nhiệt của dung dịch loãng trong HE. Dung dịch loãng cấp vào bình
phát sinh A là ở trạng thái 7, tại bình A dung dịch loãng được hơi công tác gia
nhiệt làm tăng nhiệt độ từ t7 lên đến nhiệt độ t5 ứng với áp suất pk và bắt đầu sôi,
nước tác nhân lạnh trong dung dịch không ngừng bay hơi, áp suất không đổi,
nồng độ từ cw biến đổi thành dung dịch đậm đặc có nồng độ cs, nhiệt độ tăng dần
từ t5 đến t4. Đường 7-5-4 biểu thị quá trình gia nhiệt và phát sinh trong bình phát
sinh. Trạng thái hơi tác nhân lạnh dùng giá trị trung bình của điểm đầu (đểm 5’)
và điểm cuối (điểm 4’) tức là điểm 3’.


-10-

• Quá trình ngưng tụ
Hơi tác nhân lạnh bay ra từ bình phát sinh (điểm 3’) đi vào bình ngưng tụ ở áp
suất pk=const, hơi ở bề mặt ngoài chùm ống ngưng tụ thành nước tác nhân lạnh
(điểm 3), đường 3’-3 là biểu thị quá trình ngưng tụ trong bình ngưng tụ.
• Quá trình bay hơi
Nước tác nhân lạnh chảy qua ống chữ U tiết lưu, áp suất giảm xuống áp suất
po rồi đưa vào bình bay hơi. Do áp suất giảm xuống, một phần tác nhân lạnh sôi
thành hơi tác nhân lạnh ở trạng thái 1’, đa số lượng nước chưa sôi còn nằm trong
bình ở trạng thái 1, nhờ bơm tuần hoàn bơm lên phun thành giọt nhỏ chảy thành
màng mỏng trên chùm ống nước cần làm lạnh, nó lấy nhiệt từ nước cần làm lạnh
để sôi và bay hơi từ trạng thái 1 đến trạng thái 1’. Đường 1-1’ biểu thị quá trình
bay hơi trong bình bay hơi.
• Quá trình hấp thụ
Dung dịch đậm đặc từ bình phát sinh ở trạng thái 4 có áp suất pk, nhiệt độ t4,
nồng độ đậm đặc ca dưới tác dụng của trọng lực và sự chênh áp suất từ bình phát
sinh chảy qua HE, truyền nhiệt lượng cho dung dịch loãng, nhiệt độ giảm dần
xuống điểm 8.

Đường 4-8 biểu thị quá trình trao đổi nhiệt của dung dịch đậm đặc trong HE.
Hỗn hợp dung dịch loãng ở trạng thái 2 và dung dịch đậm đặc ở trạng thái 8
hình thành dung dịch có nồng độ trung gian ở trạng thái 9 (nồng độ ci và nhiệt độ
t9), nó được bơm phun thành giọt nhỏ đều trên bề mặt ngoài chùm ống hấp thụ.
Dung dịch trung gian sau khi vào bình hấp thụ nhanh chóng biến thành trạng thái
10. Do liên tục hấp thụ hơi tác nhân lạnh từ bình bay hơi đến, nồng độ dung dịch
trung gian ci trở thành dung dịch loãng có nồng độ cw, nhiệt độ từ t10 giảm xuống
t2.
Đường 8-9 và 2-9 biểu diễn quá trình hỗn hợp, đường 10-2 biểu diễn quá trình
hấp thụ đẳng áp trong bình hấp thụ. Giả sử dung dịch loãng cấp vào bình phát
sinh là Ga (kg) nồng độ là cw, sau khi được gia nhiệt (bằng hơi nóng) trong bình
phát sinh, sản sinh ra hơi tác nhân lạnh là D (kg) như vậy ta có (Ga-D) kg biến
thành dung dịch đậm đặc cs cấp vào bình hấp thụ.
Căn cứ vào định luật bảo toàn vật chất thì khối lượng LiBr trong dung dịch
đậm đặc đến từ bình phát sinh phải bằng khối lượng dung dịch LiBr trong dung
dịch loãng từ bình hấp thụ vào bình phát sinh, tức là:
cw × Ga = (Ga − D ) × cs


-11-

chia cả hai vế cho D ta có:
cw ×

Ga ⎛ Ga
⎞
=⎜
− 1⎟ × c s
D ⎝ D
⎠

Đặt

Ga
=a thì
D

a=

cs
cs − cw

a: được gọi là bội suất tuần hoàn, nó biểu thị khi cần sản sinh ra 1kg hơi tác nhân
lạnh cần phải có lượng tuần hoàn dung dịch loãng H2O-LiBr.
cs-cw được gọi là phạm vi thoát khí.
Trong bình hấp thụ, để hấp thụ 1 kg hơi tác nhân lạnh, thực tế phải phun
(giọt nhỏ) là (a-1) kg dung dịch đậm đặc ở điểm 8 và f kg dung dịch loãng ở điểm
2 dù nồng độ dung dịch trung gian có giảm một chút, nhưng do tăng mật độ phun
giọt, do đó tăng hiệu quả hấp thụ.
f: được gọi là bội suất tái tuần hoàn của dung dịch loãng của bình hấp thụ. Thông
thường chọn f = 20 ÷ 50 , tức là hấp thụ 1 kg hơi tác nhân lạnh thì trong (a-1) kg
dung dịch đậm đặc phải cho thêm 20 ÷ 50 kg dung dịch loãng. Trên thực tế do tồn
tại trở lực lưu động, hơi tác nhân lạnh đi qua tấm chắn, áp suất có giảm xuống.
Trong bình phát sinh, áp suất bình phát sinh pg phải lớn hơn áp suất ngưng tụ pk,
trong điều kiện nhiệt độ gia nhiệt không thay đổi sẽ dẫn đến sự giảm nồng độ
dung dịch đậm đặc, đồng thời do ảnh hưởng của cột chất lỏng dung dịch không
đổi làm cho nồng độ của dung dịch đậm đặc cuối quá trình phát sinh c’s thấp hơn
nồng độ dung dịch đậm đặc của điều kiện lý tưởng cs, (cs-c’s) được gọi là phát
sinh không đủ. Trong bình hấp thụ, áp suất hấp thụ pa phải nhỏ hơn áp suất p0 ở
bình bay hơi, trong điều kiện nước giải nhiệt không thay đổi sẽ khiến cho nồng

độ dung dịch loãng tăng lên, cộng thêm sự tồn tại khí không ngưng trong hệ
thống, nồng độ dung dịch loãng cuối quá trình hấp thụ cao hơn nồng độ dung dịch
loãng của điều kiện lý tưởng cw, (c’w-cw) gọi là hấp thụ không đủ.
Trong chu trình thực tế do nguyên nhân phát sinh không đủ và hấp thụ không
đủ làm cho tính kinh tế của chu trình bị giảm.
1.3.2 Máy lạnh hấp thụ Double Effect
Máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr Single Effect thường được cấp nhiệt bằng hơi
nước ở áp suất 1~2.5 bar hoặc nước nóng có nhiệt độ 75~140oC nên hệ số sử
dụng nhiệt của chu trình chỉ khoảng 0.65~0.75. Nếu có hơi áp suất cao (trên 4


-12-

bar) thì nên dùng máy lạnh hấp thụ Double Effect vì hệ số sử dụng nhiệt COP có
thể lớn hơn 1 ( COP ≥ 0.95 ).
Trong máy lạnh hấp thụ Double Effect, có bình phát sinh A và bình phát sinh
ngưng tụ AB. Trong bình phát sinh A hơi thường có áp suất 7~10 bar hoặc đốt
bằng khí, đốt bằng dầu (nguồn nhiệt có nhiệt độ cao), để sản sinh ra hơi tác nhân
lạnh có nhiệt độ cao. Hơi tác nhân lạnh có nhiệt độ cao này dùng để gia nhiệt cho
bình phát sinh ngưng tụ AB sản sinh hơi tác nhân lạnh có nhiệt độ thấp, như vậy
không những tận dụng hữu hiệu nhiệt ẩn hoá hơi của hơi tác nhân lạnh đồng thời
có thể giảm phụ tải nhiệt của bình ngưng dẫn đến nâng cao hiệu quả kinh tế của
chu trình.
Dựa vào cách cấp dịch vào bình phát sinh A và bình phát sinh ngưng tụ AB
mà người ta chia chu trình Double Effect thành 2 loại chính:
-

Cấp dịch nối tiếp

-

Cấp dịch song song

A. Sơ đồ cấp dịch nối tiếp

A

Hơi gia nhiệt

HE1
Nước làm mát
B
Nước cần làm lạn h

AB

C
D
Nước làm mát
EP

HE2
AP

Ốn g giảm áp

GP

Hình 1.8. Máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr Double Effect cấp dịch nối tiếp

-13-

Sơ đồ nguyên lý của máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr loại Double Effect được trình
bày ở Hình 1.8. Trong sơ đồ này, ta gọi A là bình phát sinh (Generator), AB là bình
phát sinh ngưng tụ, B là bình ngưng tụ (Condenser), C là bình bay hơi
(Evaporator), D là bình hấp thụ (Absorber), HE1 & HE2 là thiết bị trao đổi nhiệt,
GP là bơm dung dịch cho bình phát sinh, AP là bơm tuần hoàn của bình hấp thụ và
EP là bơm tuần hoàn của bình bay hơi.
Thông thường bình phát sinh bao giờ cũng chế tạo riêng một thùng. Phần còn
lại có thể chế riêng hoặc ghép vào nhau.
• Đường dung dịch mắc nối tiếp
Bơm phát sinh đẩy dung dịch loãng từ bình hấp thụ qua thiết bị trao đổi nhiệt
(TBTĐN) nhiệt độ thấp HE2 rồi qua TBTĐN nhiệt độ cao HE1 sau đó đi vào
bình phát sinh A. Trong bình phát sinh dung dịch được gia nhiệt và sinh ra hơi tác
nhân lạnh dung dịch loãng bay hơi và biến thành dung dịch có nồng độ trung
gian, dung dịch này chảy qua TBTĐN nhiệt độ cao HE1 rồi đi vào bình phát sinh
ngưng tụ AB. Ở bình phát sinh ngưng tụ AB dung dịch trung gian được gia nhiệt
sinh ra hơi tác nhân lạnh có nhiệt độ thấp và dung dịch còn lại là dung dịch đậm
đặc sau đó dung dịch đậm đặc đi qua TBTĐN nhiệt độ thấp HE2 rồi đi vào bình
hấp thụ.
• Đường hơi tác nhân lạnh
Hơi tác nhân lạnh đi ra khỏi bình phát sinh A đi qua chùm ống trao đổi nhiệt ở
bình phát sinh ngưng tụ AB, nhả nhiệt ẩn hoá hơi và biến thành nước tác nhân
lạnh và chảy vào bình ngưng tụ.
Hơi tác nhân lạnh từ bình phát sinh ngưng tụ AB cũng đi vào bình ngưng tụ B,
được làm mát bằng nước giải nhiệt và ngưng tụ thành nước tác nhân lạnh.
• Nước tác nhân lạnh
Nước tác nhân lạnh từ bình ngưng tụ B đi qua cơ cấu tiết lưu chữ U chảy vào
bình bay hơi. Ở đây nước tác nhân lạnh sôi ở áp suất thấp và làm lạnh nước cần

làm lạnh. Hơi tác nhân lạnh sinh ra ở bình bay hơi có áp suất thấp đi vào bình hấp
thụ, bị dung dịch đậm đặc hấp thụ và biến thành dung dịch loãng.
Chu trình hoạt động được thể hiện trên đồ thị h-c như sau
• Đường dung dịch mắc nối tiếp
Dung dịch loãng đi ra khỏi bình hấp thụ ở trạng thái 2 có nhiệt độ t2 và nồng
độ cw được bơm GP đẩy qua TBTĐN nhiệt độ thấp HE2 gia nhiệt đến nhiệt độ
điểm 7 có dung dịch cw, sau đó qua TBTĐN nhiệt độ cao HE1 ở điểm 10 có nhiệt