Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình máy lạnh hấp phục sử dụng cặp môi chất than hoạt tính r134a

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC
Trang
Quyết định giao đề tài .................................................................................................. i
Giấy xác nhận ..............................................................................................................ii
Lý lịch khoa học ........................................................................................................ iii
Lời cam đoan .............................................................................................................. iv
Lời cảm ơn .................................................................................................................. v
Mục lục ....................................................................................................................... vi
Danh sách các chữ viết tắt .......................................................................................... ix
Danh sách các hình ảnh ............................................................................................... x
Danh sách các bảng biểu ...........................................................................................xii
Chương 1 TỔNG QUAN ............................................................................................ 1
1.1. Sơ lược về lịch sử máy lạnh hấp phụ....................................................................1
1.2. Tổng quan nghiên cứu ..........................................................................................2
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước .....................................................................2
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ...................................................................5
1.3. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................11
1.4. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................13
1.5. Đối tượng nghiên cứu .........................................................................................13
1.6. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................13
1.7. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................13
1.8. Nội dung nghiên cứu ..........................................................................................14
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................... 15
2.1. Chu trình hấp phụ mơi chất lạnh cơ bản .............................................................15
2.2. Nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp phụ .........................................................16
2.3. Hấp phụ đẳng nhiệt .............................................................................................16
2.3.1. Phương trình Langmuir ..................................................................................17
2.3.2. Phương trình Toth ..........................................................................................17
2.3.3. Phương trình Dubinin .....................................................................................18

vi


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.4. Thông số ảnh hưởng COP ..................................................................................20
2.4.1. Thời gian chuyển đổi ......................................................................................20
2.4.2. Thời gian chu trình .........................................................................................20
2.4.3. Nhiệt độ hoạt động .........................................................................................21
2.5. Chất hấp phụ .......................................................................................................22
2.6. Môi chất ..............................................................................................................31
2.6.1 Các yêu cầu phù hợp cho môi chất ..................................................................31
2.6.2 Nước .................................................................................................................32
2.6.3 Ethanol .............................................................................................................33
2.6.4 R134a ...............................................................................................................33
Chương 3 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH MÁY LẠNH HẤP PHỤ ....... 35
3.1. Sơ đồ thiết kế tổng thể của mơ hình ...................................................................35
3.2. Chọn kích thước bình bay hơi/ngưng tụ .............................................................36
3.3. Tính nhiệt bình bay hơi.......................................................................................36
3.3.1. Dịng nhiệt đi qua kết cấu bao che .................................................................38
3.3.2. Nhiệt lượng làm lạnh bình bay hơi và thùng chứa bình bay hơi ....................39
3.3.3. Nhiệt lượng làm lạnh nước.............................................................................40
3.4. Tính tốn q trình hấp phụ ................................................................................42
3.4.1. Phương trình sự hấp phụ ................................................................................42
3.4.2. Khối lượng than hoạt tính ..............................................................................43
3.4.3. Kích thước bộ hấp phụ ...................................................................................43
Chương 4 CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM MƠ HÌNH .......................................... 45
4.1. Mơ hình tổng thể.................................................................................................45
4.2. Kích thước của thiết bị .......................................................................................45

4.3. Thiết bị bổ sung vào hệ thống ............................................................................49
4.3.1. Bơm chân khơng ............................................................................................49
4.3.2. Khí heli được sử dụng để loại bỏ các khí cịn lại từ chất hấp phụ .................49
4.3.3. Đồng hồ đo áp và cảm biến nhiệt độ ..............................................................50
4.3.4. Bơm nước giải nhiệt và tháp giải nhiệt ..........................................................51

vii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

4.4. Kiểm tra thiết lập thực nghiệm ...........................................................................53
4.5. Trước khi thực nghiệm .......................................................................................53
4.6. Quy trình thực nghiệm ........................................................................................55
4.6.1. Quá trình hấp phụ ...........................................................................................55
4.6.2. Quá trình giải hấp ...........................................................................................57
4.7. Kết quả thực nghiệm...........................................................................................57
4.8. So sánh kết quả thực nghiệm với phương trình đẳng nhiệt Dubinin-Astakhov .65
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................. 67
5.1. Những đóng góp chính của đề tài .......................................................................67
5.2. Hạn chế ...............................................................................................................67
5.3. Hướng phát triển .................................................................................................68
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................... 69
Phụ lục ....................................................................................................................... 72

viii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Giải thích

Ký hiệu
𝛼 [𝑊/𝑚2 𝐾]

Giải thích

T [K]

Nhiệt độ

W [kg/kg]

Hệ số hấp phụ

𝑊𝑜 [kg/kg]

Hệ số hấp phụ tối đa

k [𝑊/𝑚2 𝐾]

hệ số truyền nhiệt

P [bar]

Cơng suất

d [m]

Đường kính ống

𝜆 [𝑊/𝑚𝐾]

hệ số dẫn nhiệt

𝛿 [m]

Chiều dày

Q [W]

Nhiệt lượng

hệ số thời gian làm

b

việc

E [J/mol]
𝛽

Năng lượng đạc trưng
hệ số trước theo cấp số
nhân

𝑋𝑜

hệ số toả nhiệt đối lưu
tỷ lệ nồng độ tối đa có thể
của chất bị hấp phụ

𝜏 (s)

Thời gian

t [℃]

Nhiệt độ

k

hệ số tính đến tổn thất

F [𝑚2 ]

Diện tích

R [J/kgK]

Hằng số chất khí

m [kg]

Khối lượng

𝐶𝑝 [J/kg]

Nhiệt dung riêng

𝑃𝑠 [bar]

áp suất bão hòa của
chất bị hấp phụ

n

Hằng số mũ

𝜌 [𝑘𝑔/𝑚3 ]

Khối lượng riêng

D

Hệ số lực hút

V [𝑚3 ]

Thể tích

X [kg/kg]

Tỷ lệ nồng độ

r [J/kg]

Nhiệt ẩn hóa hơi

ix


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1. Mơ hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng Zeolite - nước......................3
Hình 1.2. Máy lạnh hấp phụ sử dụng cặp mơi chất than hoạt tính và Methanol sản
xuất nước đá. ...............................................................................................................4
Hình 1.3. Máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng cặp mơi chất than hoạt tính – methanol
.....................................................................................................................................5
Hình 1.4. Mơ hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng cặp mơi chất than hoạt tính methanol ......................................................................................................................5
Hình 2.1. Đồ thị P-T cho chu trình hấp phụ cơ bản (theo đồ thị Clapeyron) [23]. ..15
Hình 2.2. Ngun lý cơng nghệ làm lạnh hấp phụ [24]. ..........................................16
Hình 2.3. Sơ đồ biểu diễn cấu trúc lỗ của vật liệu hấp phụ [25]. .............................23
Hình 2.4. Minh họa cấu trúc lỗ xốp. .........................................................................23
Hình 2.5. Cấu trúc của than hoạt tính [27]. ..............................................................25
Hình 2.6. Than hoạt tính nhìn dưới kính hiển vi [29] ..............................................26
Hình 2.7. Than hoạt tính từ gáo dừa [30] .................................................................27
Hình 2.8. Sơ đồ tổng quát về than hoạt tính dạng sợi và dạng hạt. ..........................28
Hình 3.1. Bản thiết kế tổng thể mơ hình ..................................................................35
Hình 3.2. Thùng nước chứa bình bay hơi. ................................................................36
Hình 3.3. Đường hấp phụ đẳng nhiệt của than hoạt tính/ R134a [8] .......................43
Hình 3.4. Bộ hấp phụ ................................................................................................44

Hình 4.1. Sơ đồ mơ tả vị trí của thiết bị trong mơ hình............................................45
Hình 4.2. Mơ hình thực nghiệm ...............................................................................46
Hình 4.3. Mơ hình thực nghiệm với 2 thùng chứa nước. .........................................47
Hình 4.4. Van bi .......................................................................................................48
Hình 4.5. Van tiết lưu tay .........................................................................................48
Hình 4.6. Cơng suất van tiết lưu, tấn (kW) ..............................................................48
Hình 4.7. Bơm chân khơng, đường ống kết nối và thông số của bơm chân không .49

x


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 4.8. Kết nối bình khí heli vào mơ hình thơng qua đường ống mềm. ...............49
Hình 4.9. Đồng hồ đo áp suất. ..................................................................................50
Hình 4.10. Cảm biến nhiệt độ. ..................................................................................51
Hình 4.11. Bơm nước nóng và bơm nước giải nhiệt ................................................52
Hình 4.12. Bơm nước giải nhiệt bình bay hơi ..........................................................52
Hình 4.13. Mơ hình tổng thể máy lạnh hấp phụ. ......................................................53
Hình 4.14. Nạp mơi chất vào bình bay hơi...............................................................54
Hình 4.15. Kết nối cảm biến nhiệt độ vào 2 thùng chứa nước. ................................55
Hình 4.16. Sản phẩm lạnh sau quá trình hấp phụ. ....................................................56
Hình 4.17. Mối quan hệ giữa thời gian và áp suất bay hơi với nhiệt độ gia nhiệt là
90℃ và nhiệt độ nước làm mát là 25 ℃ của cặp mơi chất than hoạt tính - R134a. ..58
Hình 4.18. Mối quan hệ giữa thời gian và nhiệt độ bay hơi với nhiệt độ gia nhiệt là
90℃ và nhiệt độ nước làm mát là 25℃ của cặp môi chất than hoạt tính - R134a. ...59
Hình 4.19. Mối quan hệ giữa áp suất bay hơi và nhiệt độ bay hơi với nhiệt độ gia
nhiệt là 90℃ và nhiệt độ nước làm mát là 25℃ của cặp mơi chất than hoạt tính R134a. .......................................................................................................................60
Hình 4.20. Khả năng hấp phụ tại nhiệt độ bay hơi là 25℃ với nhiệt độ gia nhiệt là
90℃ và nhiệt độ nước làm mát là 25℃ của cặp mơi chất than hoạt tính – R134a. ..62

Hình 4.21. Khả năng hấp phụ tại nhiệt độ bay hơi là 20℃ với nhiệt độ gia nhiệt là
90℃ và nhiệt độ nước làm mát là 25℃ của cặp môi chất than hoạt tính – R134a. ..62
Hình 4.22. Khả năng hấp phụ tại nhiệt độ bay hơi là 15℃ với nhiệt độ gia nhiệt là
90℃ và nhiệt độ nước làm mát là 25℃ của cặp mơi chất than hoạt tính – R134a. ..63
Hình 4.23. Khả năng hấp phụ tại nhiệt độ bay hơi là 10℃ với nhiệt độ gia nhiệt là
90℃ và nhiệt độ nước làm mát là 25℃ của cặp môi chất than hoạt tính – R134a. ..64
Hình 4.24. Sự tương quan giữa kết quả thực nghiệm với phương trình đẳng nhiệt
Dubinin - Astakhov (D - A). Đường nét liền là kết quả thực nghiệm, đường nét đứt là
phương trình đẳng nhiệt (D - A). ..............................................................................66

xi


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
BẢNG

TRANG

Bảng 2.1: Thông số ảnh hưởng COP. .......................................................................21
Bảng 2.2: Cấu trúc và tính chất nhiệt vật lý của các loại than hoạt tính [26] ..........28
Bảng 2.3: Thông số kết quả thử nghiệm mẫu than hoạt tính cơng ty COCOAC. ....31
Bảng 2.6: Đặc tính nhiệt vật lý của một số chất bị hấp phụ phổ biến [26]. .............32
Bảng 2.7: Đặc tính hóa học và vật lý của Nước. ......................................................32
Bảng 2.8: Đặc tính hóa học và vật lý của Ethanol. ..................................................33
Bảng 2.9: Đặc tính hóa học và vật lý của R134a [31]. .............................................34
Bảng 3.1: Thông số vật liệu của thùng chứa bình bay hơi .......................................37
Bảng 3.2: Tổng hợp kích thước thiết bị bay hơi .......................................................38
Bảng 4.1: Khả năng hấp phụ tại các nhiệt độ bay hơi tương ứng với 1 kg R134a nạp

vào mơ hình. ..............................................................................................................61
Bảng 4.2: Khả năng hấp phụ tại các nhiệt độ bay hơi tương ứng với 2 kg R134a nạp
vào mô hình. ..............................................................................................................61
Bảng 4.3: Khả năng hấp phụ tại các nhiệt độ bay hơi tương ứng với 3 kg R134a nạp
vào mơ hình. ..............................................................................................................61
Bảng 4.4: Khả năng hấp phụ tại các nhiệt độ bay hơi tương ứng. ...........................65

xii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. Sơ lược về lịch sử máy lạnh hấp phụ
Lĩnh vực hấp phụ chất rắn làm lạnh bắt đầu từ khá sớm và đã có một thời gian
ngắn thương mại hóa thành cơng, biến mất trong 60 năm trở lại đây và hiện đang trải
qua thời kỳ phục hưng. Nghiên cứu khoa học đầu tiên về hấp phụ đã được Scheele và
Fontana thực hiện vào năm 1773, nhưng sử dụng được nó để làm lạnh từ năm 1848
khi Michael Faraday đã chứng minh được một hệ thống sử dụng amoniac và AgCl
làm cặp chất hấp phụ.
Các sản phẩm thương mại đầu tiên là trong những năm đầu của thế kỷ XX.
Plank và Kuprianoff đã mô tả một hệ thống hấp phụ thực tế (tủ lạnh 'Eskimo' do Công
ty Lạnh Amundsen của Na Uy sản xuất), sử dụng methanol và than hoạt tính. Năm
1929, Hulse đã đưa ra tủ lạnh sử dụng silicagel - SO2 làm cặp môi chất và đã đạt nhiệt
độ bay hơi là −12℃ dùng để trữ thực phẩm trên các chuyến tàu. Vào năm 1930, làm
lạnh sử dụng công nghệ máy nén cơ học nén hơi đã được phát triển một cách nhanh
chóng và làm lạnh hấp phụ khơng cịn có thể cạnh tranh với những hệ thống đó. Từ
cuộc khủng hoảng dầu mỏ những năm 1970, cho thấy việc tiết kiệm năng lượng hay

sử dụng năng lượng hiệu quả đang quay lại quan tâm tới các hệ thống hấp phụ cho
tiềm năng tiết kiệm năng lượng. Các hệ thống hấp phụ có xu hướng sử dụng chất làm
lạnh thân thiện với môi trường (được gọi là môi chất tự nhiên) thay vì các chất CFC
hoặc HFC. Vì vậy đây cũng là một sự chuyển hướng đối với các chất làm lạnh tự
nhiên như amoniac và CO2 trong máy lạnh nén hơi. Tuy nhiên, vì các chu trình hấp
phụ được điều khiển bởi nhiệt chứ không phải công. Nhiệt ở đây bao gồm việc sử
dụng nhiệt thải (ví dụ như đốt nhiên liệu để sản xuất điện, gia nhiệt hoặc làm mát),
làm mát bằng năng lượng mặt trời, bơm nhiệt chạy bằng khí đốt, hoặc thiết bị điều
hịa khơng khí, ....

Trang 1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Sự trở lại của hệ thống làm lạnh hấp phụ được quan tâm là vào cuối những năm
1970 khi Meunier bắt đầu nghiên cứu trên các cặp chất thích hợp để sử dụng cho các
tủ lạnh năng lượng mặt trời hoặc để duy trì dây chuyền làm lạnh vắc xin hoặc để lưu
trữ lương thực ở các nước đang phát triển. Những nhà khoa học sớm khác trong cùng
lĩnh vực áp dụng là Worsøe-Scmidt và Tchernev. Sự quan tâm tăng nhanh trong
những năm 1980 với một hội nghị lớn của châu Âu vào năm 1988 có khoảng 50 bài
báo. Ngồi ra cịn có hệ thống làm lạnh hấp phụ trên thị trường, đặc biệt là từ Mycom
và Nishiyodo tại Nhật Bản và D.Y ở Trung Quốc và các sản phẩm khác đang được
phát triển bởi các công ty như Vaillant ở Đức.
1.2. Tổng quan nghiên cứu
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Ngày nay năng lượng mặt trời đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ nhu
cầu sinh hoạt cho đến sản xuất như: sản xuất điện, kỹ thuật lạnh, vận tải, cung cấp
nước nóng trong sinh hoạt, công nghệ sấy…
Theo tài liệu [1] so với các ứng dụng khác của năng lượng mặt trời, việc sử dụng

năng lượng mặt trời vào mục đích làm lạnh rất thu hút vì có sự đồng biến giữa cường
độ bức xạ mặt trời và nhu cầu sử dụng lạnh. Ở nơi càng nóng, cường độ bức xạ mặt
trời dồi dào thì nhu cầu làm lạnh càng lớn. Tuy nhiên, do hiện nay chưa giải quyết tốt
các vấn đề về giá thành và hiệu quả mang lại, do đó máy lạnh sử dụng năng lượng
mặt trời vẫn chưa được ứng dụng nhiều trong thực tế. Việc nghiên cứu tìm ra mơ hình
máy lạnh sử dụng năng lượng mặt trời dùng trong dân dụng như làm ra đá lạnh (tích
trữ lạnh), bảo quản vắc xin, thực phẩm tại vùng sâu, vùng xa, nơi khơng có lưới điện
là nhu cầu cần thiết và khả thi nhất là các nước có điều kiện tự nhiên thuận lợi như
Việt Nam.
Hoàng An Quốc và cộng sự [3] đã trình bày kết quả nghiên cứu lý thuyết và
thực nghiệm mơ hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng Zeolite - nước, thiết bị này
có thể sử dụng cho các mục đích khác nhau như bảo quản rau quả, thực phẩm hay
điều hịa khơng khí… Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất bộ thu năng lượng mặt
trời đạt được chỉ nằm trong khoảng ht =5,3 - 6,9% và hiệu suất làm lạnh của máy

Trang 2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

cũng đạt được giá trị hl = 4,02 - 6,02%. Tuy cường độ bức xạ tương đối thấp nhưng
hệ thống vẫn đạt được hiệu quả, điều đó có nghĩa máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng
Zeolite - Nước cũng có thể ứng dụng được nếu được nghiên cứu cải tiến và tiến hành
vào thời điểm có cường độ bức xạ cao hơn.

Hình 1.1. Mơ hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng Zeolite - nước.
Về ưu điểm:
Mơ hình chế tạo đơn giản, dễ vận hành.
Kinh phí chế tạo khơng cao.
Hệ số sử dụng ít van, do đó việc duy trì chân khơng trong hệ thống được thuận

lợi hơn.
Nhược điểm:
Dàn ngưng được chế tạo bằng inox nên việc trao đổi nhiệt với mơi trường khó
khăn hơn.
Ảnh hưởng của tốc độ gió đến q trình hấp phụ môi chất lạnh là yếu tố cần
được xem xét. Tốc độ gió làm khả năng ln chuyển khơng khí kém do đó cần bố trí
hệ thống ở những nơi thơng thống và có gió.
Bằng những cơ sở lý thuyết hấp phụ, lý thuyết năng lượng mặt trời, Hoàng
Dương Hùng [4] đã thiết kế chế tạo mẫu máy lạnh hấp phụ với cặp mơi chất than hoạt
tính và methanol làm lạnh nước từ nhiệt độ môi trường xuống −15℃ để sản xuất
nước đá với COP đạt 0,151 phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam.

Trang 3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.2. Máy lạnh hấp phụ sử dụng cặp mơi chất than hoạt tính và Methanol sản
xuất nước đá.
Ưu điểm:
Hệ thống đơn giản, dễ vận hành sửa chữa.
Hệ thống sử dụng rất ít van. Do đó việc duy trì chân khơng trong hệ thống thuận
lợi hơn.
Nhược điểm:
Dàn ngưng tự chế tạo, việc kết nối dàn ngưng với bộ hấp phụ có nhiều mối hàn
nên việc giữ chân khơng khơng thuận lợi.
Cách bố trí tấm cách nhiệt phía đáy bộ hấp phụ làm cho bộ hấp phụ khó giải
nhiệt ra môi trường xung quanh
Ảnh hưởng của tốc độ gió đến q trình hấp phụ mơi chất lạnh là yếu tố cần
được xem xét. Tốc độ gió làm khả năng ln chuyển khơng khí kém do đó cần bố trí

hệ thống ở những nơi thơng thống và có gió.
Ngồi ra cịn có một số đề tài luận văn thạc sĩ của các tác giả
Nguyễn Ngọc Trí [5] có luận văn: Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm máy
lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng cặp môi chất than hoạt tính – methanol trong sản xuất
nước lạnh

Trang 4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.3. Máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng cặp mơi chất than hoạt tính –
methanol
Lê Vinh Phát [6] có luận văn: Nghiên cứu xây dựng mơ hình thí nghiệm máy
lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng than hoạt tính – methanol

Hình 1.4. Mơ hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng cặp môi chất than hoạt
tính - methanol
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Askalany và cộng sự [7] đưa ra một bài đánh giá về hệ thống làm lạnh hấp phụ
với các cặp hấp phụ của than hoạt tính với amoniac, methanol, ethanol, hydro, nitơ
và diethyl ete và dựa trên sự phù hợp của than hoạt tính (Maxsorb III) với R134a,

Trang 5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

R507A, n-butane và CO2. Tổng quan của họ cho thấy khả năng hấp phụ tối đa của
cặp than hoạt tính/hydrogen là 0,055 g/g ở 30℃ và 6 bar; đối với cặp sợi than hoạt

tính/nitơ là 0,75 g/g ở −4℃; đối với cặp than hoạt tính/diethyl ether là 0,00139 g/g ở
50℃ và 0,1 bar; đối với cặp than hoạt tính/R134a là 2 g/g ở 30℃ và 8 bar, đối với
cặp than hoạt tính/R507a là 1,3 g/g ở 20℃; đối với cặp than hoạt tính/n-butan là 0,8
g/g ở 35℃ và 2,3 bar và đối với cặp than hoạt tính/CO2 là 0,08 g/g tại 30℃ và 1 bar.
Askalany và cộng sự [8] đã tiến hành một nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính
hấp phụ và giải hấp của cặp than hoạt tính / R134a. Trên tất cả các thí nghiệm, nhiệt
độ của cặp môi chất được giữ ở khoảng 25 °C. Kết quả thí nghiệm cho thấy việc gia
tăng nhiệt độ của chất hấp phụ dẫn đến giảm tối đa khả năng hấp phụ cho đến khi đạt
được 0,53 kg R134a / kg than ở 60 °C trong thời gian 450 giây. Khả năng hấp phụ tối
đa được tìm thấy là 1,68 kg R134a / kg than ở 25 °C sau 1000 giây. Tác giả cũng kết
luận rằng than hoạt tính dạng hạt và R134a có thể được sử dụng như một cặp hấp phụ
trong một hệ thống lạnh hấp phụ.
Tác giả đã so sánh nhiều cặp môi chất hấp phụ với nhau và đã thấy rằng khả
năng hấp phụ của cặp mơi chất than hoạt tính – R134a là cao nhất trong số các cặp
chất khác là 2g/g và áp suất là 8 bar ở 20℃ với thời điểm hiện tại. Ngoài ra tác giả
cũng đã sử dụng than hoạt tính dạng hạt và R134a để thực nghiệm với 4 nhiệt độ khác
nhau là 25°C , 35°C , 45°C , 60°C và đã tìm được khả năng hấp phụ tối đa của cặp
môi chất này là 1,68kg/kg ở nhiệt độ 25°C sau 1050 giây.
Ưu điểm:
Mơ hình cấu tạo đơn giản, dễ vận hành
Sử dụng ít van nên sự rị rỉ trong hệ thống ít hơn
Nhược điểm:
Khơng biết được mơi chất trong hệ thống đã giải hấp/hấp phụ hết chưa nhằm
chuyển quá trình khi quá trình trước kết thúc.
Chưa trình bày được lượng nhiệt cấp vào và lượng nhiệt thu được từ đó đưa ra
hiệu suất của hệ thống.

Trang 6

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Banker và cộng sự [9] đã nêu ra nhiều ưu điểm của hệ thống sử dụng môi chất
R134a là nó vận hành trên áp suất khí quyển. Điều này phải bảo đảm rằng hệ thống
hoạt động với sự rị rỉ là rất nhỏ. Họ cũng phân tích chu trình nhiệt động của hệ thống
lạnh hấp phụ 2 cấp nén với cặp mơi chất than hoạt tính - R134a. Ảnh hưởng của nhiệt
độ bay hơi, ngưng tụ/hấp phụ, giải hấp đã được đánh giá thông qua hiệu quả hấp thu,
hệ số làm lạnh COP và hiệu suất exergy. Người ta cũng thấy rằng hệ thống 2 cấp có
tính linh hoạt cho sự vận hành trong dải nhiệt độ lớn của bay hơi, hấp phụ/ngưng tụ
thậm chí với nguồn năng lượng nhiệt thấp.
Banker và cộng sự [10] đã xây dựng mơ hình phịng thí nghiệm về hệ thống làm
lạnh hấp phụ bằng than hoạt tính như là chất hấp phụ và R134a làm chất làm lạnh.
Thiết bị đã được thử nghiệm với tải nhiệt lên đến 5 W ở trong vùng có nhiệt độ 5 18℃. Mục tiêu là sử dụng năng lượng nhiệt độ thấp để điều khiển một hệ thống làm
lạnh có thể được sử dụng để làm mát một số thiết bị điện tử quan trọng. Mơ hình
phịng thí nghiệm đã được kiểm tra về hiệu suất của nó ở các tải làm mát khác nhau
với nhiệt độ nguồn nhiệt từ 73 đến 93℃.
Banker và cộng sự [11] xây dựng mơ hình phịng thí nghiệm cơng suất làm mát
nhỏ của một hệ thống làm lạnh hấp phụ với than hoạt tính như là chất hấp phụ và
HFC 134a làm môi chất lạnh. Máy làm mát hấp phụ này được chế tạo để làm mát
công suất dưới 5 W sử dụng nhiệt thải lên đến 90°C và thời gian của chu trình là trong
vịng 20 phút.
Saha và cộng sự [12] trình bày hấp phụ đẳng nhiệt của R134a (HFC - 134a) trên
than hoạt tính có kích thước lỗ xốp rất lớn (Maxsorb III) trong khoảng nhiệt độ 5 70℃ và áp suất lên đến 12 bar, sử dụng phương pháp giải hấp. Dữ liệu thực nghiệm
đã phù hợp với phương trình đẳng nhiệt D - A. Nhiệt của sự hấp phụ cũng được đánh
giá và thay đổi từ 22000 đến 28000 J/mol. Khả năng hấp phụ tối đa của R134a lên
than hoạt tính đã được tìm thấy là 2,1 kg/kg.
Habib và cộng sự [13] đo tỷ lệ hấp phụ của R134a và R507A lên than hoạt tính
dựa trên sự trùng khớp của loại Maxsorb III với nhiệt độ thay đổi từ 20 đến 60℃. Các

Trang 7

LUẬN VĂN THẠC SĨ

dữ liệu thu được từ các thí nghiệm được phân tích sử dụng mơ hình khuếch tán Fickian
và thấy là khá phù hợp.
Từ tài liệu [14] tính chất nhiệt - vật lý (diện tích bề mặt, khối lượng lỗ, đường
kính hạt ...) của chất hấp phụ đóng một vai trị quan trọng trong các đặc tính hấp phụ
của cặp chất làm lạnh - chất hấp phụ. Than hoạt tính (loại Maxsorb III) có thể trở
thành chất hấp phụ tiềm năng trong lĩnh vực lạnh và một số nghiên cứu về Maxsorb
III đã được thực hiện bởi (Saha và cộng sự, 2008a, Hamamoto và cộng sự, 2006). So
với than hoạt tính dạng sợi hoặc dạng hạt, Maxsorb III có nhiều đặc tính bên trong
làm cho nó vượt trội so với than hoạt tính khác. Đặc tính của hệ thống làm lạnh hấp
phụ với chất hấp phụ là than hoạt tính được trình bày trong bảng 2 phần phụ lục.
Các đặc tính hấp phụ của than hoạt tính và R134a đã được nhiều nhà nghiên cứu
nghiên cứu về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm. Sử dụng Maxsorb III làm chất hấp phụ,
nhiệt đẳng hướng tối thiểu cho cặp này ước tính khoảng 21 kJ/mol. Khả năng hấp phụ
tối đa của cặp than hoạt tính/R134a là 2 g/g tại 30℃, hấp phụ đẳng nhiệt ở áp suất
800 kPa. Tại 25 °C, thời gian hấp phụ ước tính là 1200 giây. Nhiệt độ sơi bình thường
của R134a là - 26,55℃ và khối lượng phân tử là 102,03 [15]
Độ khuyếch tán nhiệt thấp của các bình hấp phụ tạo ra một trường nhiệt độ lớn
qua các bình hấp phụ hình trụ sử dụng trong các chu trình làm mát hấp phụ. Điều này
làm giảm sự chênh lệch nồng độ mà qua đó máy nén nhiệt hoạt động. Hấp phụ động
học chậm kết hợp với hiệu ứng thể tích rỗng làm giảm thêm năng suất từ các máy nén
nhiệt hấp phụ. Vấn đề có thể được giảm nhẹ một phần bằng cách tăng nhiệt độ giải
hấp. Kandadai Srinivasan và cộng sự [16] đã xác định nhiệt độ giải hấp tối thiểu cần
thiết cho một bộ nhiệt độ bay hơi / ngưng tụ nhất định cho cặp than hoạt tính - R134a
là trên 80℃.
Từ kết quả của tài liệu số [17] sau khi xác định được than hoạt tính tốt nhất
thơng qua việc đánh giá hiệu suất nhiệt động trong việc điều hịa khơng khí và làm

lạnh, thiết kế của bình hấp phụ đã được phát triển bằng cách phân tích hiệu năng động
thực nghiệm được thực hiện bằng thực nghiệm phân tích hiệu suất động học tại phịng
thí nghiệm CNR ITAE. Cuối cùng, đã thiết kế và xây dựng được mơ hình tủ lạnh có

Trang 8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

công suất 0,5 kW . Các kết quả thử nghiệm đầu tiên cả trong điều kiện điều hịa khơng
khí và chu trình lạnh đã được báo cáo để kiểm tra hiệu suất đạt được. Năng suất lạnh
riêng cao (SCP) 95 W/kg đối với điều hịa khơng khí và 50 W /kg với việc làm lạnh
đã thu được. Trong khi COP nằm trong khoảng 0,09 đến 0,11 cho thấy sự cải thiện
hiện trạng.
V. Palomba và cộng sự [18] đã thực hiện một nghiên cứu về tủ lạnh hấp phụ
trong phịng thí nghiệm sử dụng cặp mơi chất than hoạt tính - ethanol. Cơng suất làm
lạnh riêng khá tốt đối với điều hịa khơng khí SCP đạt 180W/kg trong thời gian tối
ưu của chu trình là 600 giây. Ngược lại, trong các điều kiện làm lạnh, do áp suất hơi
thấp bên trong hệ thống nên thời gian tối ưu chu trình được tăng lên, dao động từ
1200 đến 1600 giây làm cho SCP thấp hơn từ 20 đến 70 W/kg. Các giá trị COP cao
hơn đã được đo cho các ứng dụng điều hịa khơng khí lên đến 0,17. Trong khi dưới
điều kiện làm lạnh, COP đã được đo từ 0,05 đến 0,10. Kết quả cũng đã chỉ ra rằng
COP và SCP tăng bằng cách thu hồi nhiệt giữa các bình hấp phụ (COP tăng từ 20 đến
40% trong cả điều kiện điều hịa khơng khí và làm lạnh). Kết quả thu được cho thấy
khả năng sử dụng một chất làm lạnh không độc hại như ethanol đạt hiệu suất tương
đương với các chất làm lạnh có hại khác như amoniac và methanol.
Sang Woo Hong và cộng sự [19] cũng đưa ra ba trường hợp chuyển đổi thời
gian (0 giây, thời gian chuyển đổi tối ưu và tăng gấp đôi thời gian chuyển đổi tối ưu)
được xem xét trong khi thay đổi các thông số của bước cánh, chiều cao cánh và nhiệt
độ gia nhiệt. COP và SCP giảm khi thời gian chuyển đổi tăng do khả năng truyền

chất giữa các hạt trong quá trình đẳng vị giảm. COP và SCP được đánh giá cao 3,4%
và 2,9% khi không tính thời gian chuyển đổi và giảm 3,8% và 5,2% khi thời gian
chuyển đổi tăng gấp đôi so với thời gian chuyển đổi tối ưu . Tuy nhiên việc tăng hiệu
suất trong trường hợp khơng có thời gian chuyển đổi hoặc thời gian chuyển đổi cực
kì ngắn là khơng thực do áp suất duy trì của bình bay hơi và ngưng tụ là áp suất ảo.
COP và SCP với thời gian chuyển đổi tối ưu được ước tính cho các bước cánh,
chiều cao cánh và nhiệt độ gia nhiệt. Các giá trị tối ưu của bước cánh (3 mm), chiều

Trang 9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

cao cánh (12 mm) và nhiệt độ gia nhiệt (85 °C) đã được tìm thấy đối với COP. Mặt
khác, SCP tăng với giảm bước cánh và chiều cao cánh và tăng nhiệt độ gia nhiệt.
Ngoài ra, Xu Ji và cộng sự [20] đã thiết kế và chế tạo hệ thống lạnh hấp phụ làm
đá sử dụng nước nóng năng lượng mặt trời với bình trữ nhiệt. Bình đựng chất hấp
phụ được bỏ trong thùng nước và được gia nhiệt bằng nước nóng từ bộ thu năng lượng
mặt trời sử dụng ống chân khơng trong q trình giải hấp. Than hoạt tính và methanol
được sử dụng làm cặp môi chất hấp phụ trong hệ thống. Ảnh hưởng của nhiệt độ
nguồn nhiệt lên hiệu suất của hệ thống đã được thực nghiệm đánh giá dưới 4 điều
kiện: duy trì nhiệt độ nước trong thùng là 94℃, 85℃, 75℃ và gia nhiệt nước đạt 94℃
sau đó để nước nóng nguội tự nhiên mà khơng cần duy trì gia nhiệt trong q trình
giải hấp. Cơng suất làm đá tối đa trong 1 ngày là 8,4kg và nhiệt độ thấp nhất đạt được
là -8,6℃ khi nhiệt độ nước gia nhiệt được duy trì ở mức 94℃. Hệ số làm lạnh đạt
được là 0,139 trong điều kiện gia nhiệt nước lên 94℃ rồi để nguội tự nhiên mà khơng
cần duy trì gia nhiệt. Hiệu suất sử dụng nhiệt của hệ thống giảm khi tăng nhiệt độ
nguồn nhiệt do sự mất nhiệt lớn hơn trong quá trình giải hấp.
M. Li và cộng sự [21] đã sử dụng cặp mơi chất là than hoạt tính - methanol và
than hoạt tính - ethanol, hai cặp mơi chất này được dùng trong máy lạnh hấp phụ sử

dụng năng lượng mặt trời để làm ra đá dưới điều kiện môi trường. Kết quả thực
nghiệm cho thấy rằng đá có thể được sản xuất bằng than hoạt tính - methanol. Tuy
nhiên, không thể lấy được đá bằng cách sử dụng than hoạt tính - ethanol bằng cách
sử dụng cùng một máy lạnh hấp phụ năng lượng mặt trời với mơi trường và cường
độ bức xạ tương tự. Các thí nghiệm tiếp theo đã chỉ ra rằng lượng môi chất lạnh trong
quá trình hấp phụ và giải hấp của hai cặp làm việc đã cho kết quả khá khác nhau, than
hoạt tính-methanol đã chứng tỏ là tốt nhất, là một trong hai cặp làm việc trong máy
lạnh hấp phụ sử dụng năng lượng mặt trời sản xuất nước đá.
I.I. El-Sharkawy và cộng sự [22] đã sử dụng cặp môi chất Maxsorb III và ethanol
với nhiệt độ hấp phụ trong khoảng 20 - 60℃. Phương trình Dubinin Astakhov cũng
đã được sử dụng để so sánh các dữ liệu tương quan. Sử dụng mơ hình cân bằng nhiệt
động, hiệu suất cảu chu trình hấp phụ làm lạnh lý tưởng cũng đã được nghiên cứu và

Trang 10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

so sánh với cặp môi chất sợi than hoạt tính và ethanol. Kết quả thực nghiệm chỉ ra
rằng Maxsorb III có thể hấp phụ lên tới 1,2 kg ethanol/ kg chất hấp phụ. Các tính tốn
lý thuyết cho thấy, chu trình hấp phụ Maxsorb III - ethanol có thể đạt được hiệu quả
làm lạnh riêng khoảng 420 kJ/kg ở nhiệt độ bay hơi 7℃ cùng với nguồn nhiệt 80℃
và do đó cặp này được khuyến cáo trong các ứng dụng làm mát bằng năng lượng mặt
trời.
Cũng theo tài liệu [28] diện tích bề mặt của than hoạt tính nếu tính ra đơn vị
khối lượng thì là từ 500 đến 2500 m2/g (lấy một ví dụ cụ thể để so sánh thì một sân
quần vợt có diện tích rộng khoảng chừng 260 m2). Bề mặt riêng rất lớn này là hệ quả
của cấu trúc xơ rỗng mà chủ yếu là do thừa hưởng từ nguyên liệu hữu cơ xuất xứ, qua
q trình chưng khơ (sấy) ở nhiệt độ cao trong điều kiện yếm khí. Phần lớn các vết
rỗng - nứt vi mạch, đều có tính hấp phụ rất mạnh và chúng đóng vai trị các rãnh

chuyển tải (kẽ nối). Than hoạt tính thường được tự nâng cấp (ví dụ, tự rửa tro hoặc
các hóa chất tráng mặt), để lưu giữ lại được những thuộc tính lọc hút, để có thể thấm
hút được các thành phần đặc biệt như kim loại nặng.
Thuộc tính làm tăng ý nghĩa của than hoạt tính cịn ở phương diện nó là chất
khơng độc (kể cả một khi đã ăn phải nó). Than hoạt tính (Activated Carbon) được
tạo từ gỗ và than đá thường có giá thành thấp, từ xơ dừa, vỏ trái cây thì giá thành cao
và chất lượng hơn. Than hoạt tính có thể được chế tạo bằng nhiều nguyên liệu khác
nhau như: tre xanh, gáo dừa, vỏ đậu phộng (lạc), than đá, … qua nhiều công đoạn để
cho ra nhiều sản phẩm than hoạt tính dạng mịn hoặc thơ.Tuy có rất nhiều loại nguyên
liệu để sản xuất than hoạt tính, nhưng gáo dừa khơ có khá nhiều tại các tỉnh miền Tây
Việt Nam đặc biệt là tỉnh Bến Tre được xem là loại ngun liệu sản xuất ra than hoạt
tính có chất lượng tốt nhất và giá thành rẻ nhất.
1.3. Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời kỳ cơng nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, việc bảo vệ mơi trường
và tiết kiệm năng lượng đã và đang rất được chú trọng. Môi trường chịu ảnh hưởng
bởi rất nhiều yếu tố như phát thải khí nhà kính, phá rừng và ơ nhiễm đất, đại dương
và khí quyển…Bên cạnh đó, hầu hết môi chất lạnh trong hệ thống lạnh được sử dụng

Trang 11


LUẬN VĂN THẠC SĨ

hiện nay như CFC, HCFC, HFC góp phần rất lớn làm suy giảm tầng ozon của trái
đất, biến đổi khí hậu tồn cầu và dẫn đến hiệu ứng nhà kính làm cho nhiệt độ khí
quyển tăng lên.
Do các vấn đề sinh thái và cuộc khủng hoảng năng lượng trên thế giới, việc tìm
kiếm các nguồn năng lượng khác để bổ sung vào nguồn năng lượng truyền thống
đang thực sự được các nhà khoa học quan tâm. Bên cạnh đó việc sử dụng các nguồn
năng lượng hiệu quả cũng là một vấn đề cấp bách cần được giải quyết.

Trong lĩnh vực cụ thể về thiết bị làm mát, điều hịa khơng khí thơng thường sử
dụng một lượng điện lớn, nguồn gốc chủ yếu là hóa thạch từ các nhà máy phát điện.
Các cơng nghệ khác sử dụng ít điện năng, mặc dù không được sử dụng rộng rãi, (ví
dụ như thiết bị làm lạnh hấp thụ) sử dụng chất làm lạnh có chứa thành phần gây hại
tầng ozon, do đó nên được loại ra. Là một ứng cử viên sáng giá đầy hứa hẹn để thay
thế cho cả máy lạnh thông thường và máy lạnh hấp thụ, một cơng nghệ ngày càng
được nghiên cứu đó là máy lạnh hấp phụ. Sử dụng mơi chất lạnh khơng có bơm dung
dịch mà nó chỉ có lực dẫn động.
Ngày nay, máy lạnh hấp phụ dùng trong kỹ thuật lạnh nói chung và điều hịa
khơng khí nói riêng đã và đang được nghiên cứu để có thể triển khai rộng rãi ra thực
tế. Việc nghiên cứu máy lạnh hấp phụ không chỉ là đáp ứng nhu cầu làm lạnh mà còn
là phương án nhằm giải quyết bài tốn năng lượng đang nóng dần lên trên toàn thế
giới. Một trong những chủ đề chính vẫn đang nghiên cứu là chất có khả năng làm
lạnh tốt hơn, cũng được gọi là chất bị hấp phụ để sử dụng trong quá trình làm lạnh
hấp phụ. Máy lạnh hấp phụ sử dụng rất nhiều cặp môi chất khác nhau như: than hoạt
tính - methanol, than hoạt tính - ethanol, than hoạt tính - NH3, Silicagel - nước,
Calcium Chloride - ammoniac, Zeolite - nước, zeolite - ethanol… Việc tìm kiếm cặp
mơi chất làm việc nào là thật sự hiệu quả và ứng dụng được cho điều kiện khí hậu ở
Việt Nam vẫn đang được các nhà nghiên cứu và các trường đại học trong cả nước
tiến hành thử nghiệm, cải tiến và sửa chữa.

Trang 12


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Sự hấp phụ làm ra nước đá có thể được sử dụng để lưu trữ thực phẩm mau hỏng,
trái cây, thuốc... Sự hấp phụ môi chất lạnh sử dụng bởi các nguồn nhiệt cấp thấp như
năng lượng mặt trời, ô tô, nhiệt thải công nghiệp...
Nắm bắt được hướng phát triển của máy lạnh hấp phụ, các nhà khoa học đã có

nhiều cơng trình nghiên cứu và đưa ra nhiều kết luận ý nghĩa, nhưng vẫn còn hạn chế.
Đó là dữ liệu cơ sở rất quan trọng để tiếp tục nghiên cứu về đặc tính cũng như khả
năng hấp phụ của cặp môi chất lạnh.
Để giải quyết vấn đề này, một hướng nghiên cứu được đặt ra là chế tạo máy
lạnh sử dụng nguồn năng lượng có nhiệt độ thấp để thay thế cho máy lạnh truyền
thống dùng điện năng như hiện nay. Nhờ đó, chúng ta đã giải quyết được vấn đề về
năng lượng đặt ra. Đồng thời, chúng ta cũng giải quyết được vấn đề ô nhiễm mơi
trường, nghĩa là giảm lượng CO2 trong khí thải và fluorocarbon trong hệ thống lạnh
đáng kể nhằm hạn chế ảnh hưởng đến môi trường. Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế
tạo mơ hình máy lạnh hấp phụ sử dụng cặp mơi chất Than hoạt tính - R134a”
được tiến hành và so sánh bằng thực nghiệm là cần thiết.
1.4. Mục tiêu nghiên cứu
Thiết kế và chế tạo được mơ hình thực nghiệm về máy lạnh hấp phụ kiểu gián
đoạn sử dụng cặp mơi chất than hoạt tính - R134a.
Làm lạnh 2 lít nước từ 25℃ xuống 10℃ trong thời gian 1800 giây bằng mơ
hình thực nghiệm đã chế tạo.
1.5. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là máy lạnh hấp phụ kiểu gián đoạn sử
dụng cặp mơi chất Than hoạt tính - R134a.
1.6. Phạm vi nghiên cứu
Chế tạo mơ hình máy lạnh hấp phụ kiểu gián đoạn làm lạnh 2 lít nước từ nhiệt
độ 25℃ xuống 10℃ với nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp 90℃ với áp suất trong khoảng
3 - 6 bar trong khoảng thời gian là 1800 giây.
1.7. Phương pháp nghiên cứu

Trang 13


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nghiên cứu lý thuyết để thiết kế, chế tạo mơ hình máy lạnh hấp phụ kiểu gián
đoạn sử dụng mơi chất Than hoạt tính - R134a
Kết hợp lý thuyết với thực nghiệm để xây dựng mơ hình máy lạnh hấp phụ có
thể ứng dụng được trong thực tiễn.
1.8. Nội dung nghiên cứu
Dựa vào kết quả của các bài báo quốc tế SCI, SCIE, hay EI để tổng quan kết
quả các nghiên cứu liên quan đến đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mơ hình
máy lạnh hấp phụ sử dụng cặp mơi chất Than hoạt tính - R134a”. Đề tài chủ yếu
nghiên cứu về máy lạnh hấp phụ, mơi chất được sử dụng là Than hoạt tính - R134a.

Trang 14


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Chu trình hấp phụ mơi chất lạnh cơ bản
Chu trình hấp phụ môi chất lạnh không sử dụng cơ năng mà sử dụng nhiệt
năng (khí đốt, dầu đốt, năng lượng mặt trời, …). Hệ thống lạnh hấp phụ làm việc
tương tự như hệ thống lạnh nén hơi nhưng ở đây sử dụng máy nén nhiệt hoạt động
tại nhiệt đầu vào thay vì máy nén thơng thường. Do đó đã bỏ được điện năng cần thiết
cho q trình cơ học.
Các thiết bị chính của một hệ thống hấp phụ gồm:
1. Máy nén nhiệt cho hấp phụ hoặc giải hấp môi chất lạnh
2. Thiết bị ngưng tụ.
3. Van tiết lưu.
4. Thiết bị bay hơi.

Hình 2.1. Đồ thị P-T cho chu trình hấp phụ cơ bản (theo đồ thị Clapeyron) [23].
Một chu trình hấp phụ cơ bản bao gồm 4 bước:

Trang 15


LUẬN VĂN THẠC SĨ

1. Gia nhiệt và tăng áp
2. Gia nhiệt, giải hấp và ngưng tụ.
3. Làm mát và giảm áp.
4. Làm mát, hấp phụ và bay hơi
2.2. Nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp phụ
Hệ thống làm lạnh hấp phụ cơ bản bao gồm hai bình thơng nhau, một bình chứa
cặp chất hấp phụ/mơi chất lạnh (bình hấp phụ) và bình thứ hai chỉ chứa mơi chất lạnh
(bay hơi - ngưng tụ). Cả hai bình ban đầu đều ở áp suất và nhiệt độ thấp với nồng độ
chất làm lạnh cao trong chất hấp phụ.
Bước đầu tiên tăng nhiệt độ bình hấp phụ bằng cách sử dụng nguồn nhiệt đã
chọn hoặc có sẵn: mơi chất lạnh được đẩy ra khỏi chất hấp phụ trong khi áp suất của
toàn bộ hệ thống tăng lên (giải hấp) (a). Hơi giải hấp được ngưng tụ trong bình ngưng
tụ - bay hơi nhờ giải nhiệt (b). Khi bình hấp phụ đã đạt đến nồng độ chất làm lạnh tối
thiểu mong muốn (c), sau đó nó sẽ được làm mát đến nhiệt độ ban đầu và tái hấp phụ
môi chất lạnh, giảm áp (hấp phụ). Áp suất thấp gây ra môi chất lạnh lỏng chứa trong
bình ngưng tụ - bay hơi sơi, hấp thu nhiệt và do đó tạo ra hiệu quả làm mát cần thiết
(d). Chu trình làm lạnh hấp phụ cơ bản là không liên tục và sản lượng lạnh diễn ra
chỉ trong một chu kì [24]

Hình 2.2. Ngun lý cơng nghệ làm lạnh hấp phụ [24].
2.3. Hấp phụ đẳng nhiệt
Hấp phụ đẳng nhiệt là phương trình được sử dụng để tính tốn là có bao nhiêu

chất bị hấp phụ được hấp thu trên bề mặt của một vật liệu hấp phụ. Nếu sự hấp phụ
xảy ra phụ thuộc vào vật liệu, áp suất, nhiệt độ giữa các thông số khác.

Trang 16


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.3.1. Phương trình Langmuir
Lý thuyết Langmuir [25] là thuyết phát triển hấp phụ đẳng nhiệt đầu tiên và
vẫn giữ một vị trí quan trọng trong hấp phụ vật lý cũng như hấp phụ hóa học. Phương
trình đẳng nhiệt Langmuir được dựa trên một điểm động học của các quan điểm và
nguyên tắc hấp phụ cân bằng động mà tại đó các tỷ lệ hấp phụ bằng với tỷ lệ giải hấp.
Hơn nữa, mơ hình Langmuir ban đầu được phát triển để miêu tả cho trạng thái của
hấp phụ đơn lớp. Phương trình đẳng nhiệt này cũng đã được xây dựng cho quá trình
hấp phụ đa lớp.
𝑖=𝑛

𝑊=∑
𝑖=1

𝑊𝑜𝑖 𝛼𝑖 𝑃
1 + 𝛼𝑖 𝑃
(2.1)

Với:
n - số đặt trên bề mặt.
𝛼𝑖 và 𝑊𝑜𝑖 - các thông số phụ thuộc vào nhiệt độ.
Phương trình Langmuir 3 lớp đã được sử dụng rộng rãi trong lý thuyết. Thông số 𝑊𝑜𝑖
và 𝛼𝑖 được xác định theo phương trình sau:

𝑗=3

𝑊𝑜𝑖 = ∑
𝑗=0

𝛼𝑗,𝑖
𝑇𝑗
(2.2)

𝐸𝑖
𝑎𝑖 = 𝑏0,𝑖 𝑒𝑥𝑝 ( )
𝑇
(2.3)
Với 𝛼𝑗,𝑖 𝑏0,𝑖 𝐸𝑖 - chỉ số xác định từ thực nghiệm [14]
2.3.2. Phương trình Toth
Phương trình này [25] là phù hợp cho các hệ thống với phạm vi chất đơn lớp
và có giới hạn chính xác khi P gần như bằng khơng hoặc vơ cùng. Phương trình Toth
có thể được viết như sau:

Trang 17


LUẬN VĂN THẠC SĨ

𝑊 = 𝑊𝑜

𝛽𝑃
1

[1 + (𝛽𝑃)𝜏 ]𝜏

(2.4)
𝛽 và 𝜏 phụ thuộc vào cặp chất hấp phụ.
𝛽 phụ thuộc vào nhiệt độ.
Với:
𝑄𝑠𝑡

𝛽 = 𝛽𝑜 𝑒 𝑅𝑇

(2.5)
𝛽𝑜 - hệ số trước theo cấp số nhân .
𝑄𝑠𝑡 - nhiệt hấp phụ.
𝜏 - hằng số Toth.
Giá trị lý tưởng đã được tìm ra cho 𝛽 là 10−8 và 𝜏 là 1,07.
Khi 𝜏 = 1 thì phương trình đẳng nhiệt Toth trở thành phương trình đẳng nhiệt
Langmuir.
2.3.3. Phương trình Dubinin
Mơ tả về sự cân bằng hấp phụ dựa trên công việc cơ bản của Dubinin và các
đồng nghiệp của ông [25] . Các phương trình Dubinin cho sự hấp phụ được dựa trên
lý thuyết làm đầy vào thể tích các vi lỗ xốp bởi Polanyi được xuất bản năm 1947.
Trong lý thuyết Dubinin, phần nhỏ của thể tích vi lỗ xốp bị chiếm bởi chất bị hấp phụ
được chọn để có một dạng hàm của phân phối Weibull. Theo mơ hình Dubinin, lượng
hấp phụ W (thể tích chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng của chất hấp phụ)
được biểu diễn như sau
𝑅𝑇
𝑃𝑠 𝑛
𝑊 = 𝑊𝑜 . 𝑒𝑥𝑝 (− ( ln ( )) )
𝐸
𝑃
(2.6)

Hằng số 𝑊𝑜 trong phương trình trên là cơng suất hấp phụ tối đa (tương đương
với thể tích của lỗ rỗng), R hằng số chất khí của chất bị hấp phụ, và E là năng lượng
đặc trưng của sự hấp phụ. Áp suất Ps(T) là áp suất bão hòa của chất bị hấp phụ tương
ứng với nhiệt độ hấp phụ T, và n mô tả sự không đồng nhất bề mặt của chất hấp phụ.

Trang 18