Nghiên cứu máy lạnh hấp phụ ứng dụng năng lượng mặt trời sử dụng than hoạt tính methanol

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU MÁY LẠNH HẤP PHỤ ỨNG
DỤNGNĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG
THANHOẠT TÍNH – METHANOL
S

K

C

0

0

3

9

5

9

S KC 0 0 3 8 5 6

Tp. Hồ Chí Minh, 07/2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
Khoa Cơ Khí Động Lực
Ngành Cơng Nghệ Nhiệt – Điện Lạnh


Đề tài nghiên cứu khoa học:

NGHIÊN CỨU MÁY LẠNH HẤP PHỤ ỨNG DỤNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG THAN
HOẠT TÍNH – METHANOL

GVHD:

TS. HỒNG AN QUỐC

SVTH :

NGUYỄN PHƯỚC HỊA
HỒ CAO NGUYÊN

08213013
08213023

Tp.Hồ Chí Minh, Tháng 7 Năm 2012


LỜI NÓI ĐẦU
Nhu cầu năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển

ngày càng tăng. Trong khi đó, các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ,
khí thiên nhiên thì hữu hạn, ngay cả thủy điện cũng ngày càng khó khăn vì nguồn
nước và môi trường, khiến cho nhân loại đang đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng
lượng. Do đó, việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới và sạch như năng
lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời, năng lượng gió… là một nhu cầu rất cần thiết
mang tính chất sống cịn của nhân loại.
Trong đó, nổi bật nhất vẫn là năng lượng mặt trời. Đây được xem như là
nguồn năng lượng của tương lai vì tính sẵn có và siêu sạch. Đó là lý do tại sao ngày
càng có nhiều nước trên thế giới đầu tư mạnh vào việc sử dụng nguồn năng lượng
này.
Bên cạnh đó thì nhiệm vụ mới đặt ra cho khoa học kỹ thuật là tìm hiểu nghiên
cứu các công nghệ mới với hiệu suất cao mà tiêu tốn ít nhiên liệu. Hay việc nâng cao
hiệu suất các nhà máy, xí nghiệp, thiết bị máy móc nhằm tránh tổn thất năng lượng,
hạ giá thành sản phẩm giúp tăng tính cạnh tranh cho doanh nghiệp.
Đối với riêng ngành kỹ thuật lạnh, với sự phát triển mạnh về nhu cầu làm lạnh
trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong sản xuât, kinh doanh như: thủy hải sản, sữa, bia,
hóa chất, y tế, vận chuyển…thì việc tối ưu hóa một hệ thống lạnh hay áp dụng các
nguồn năng lượng sạch vào việc làm lạnh mang lại một nguồn lợi to lớn cho kinh tế
nước nhà. Chính điều này sẽ là áp lực cũng như là cơ hội cho đội ngũ kỹ sư chuyên
ngành Nhiệt – Điện Lạnh. Cần có một nền tảng kiến thức vững chắc, những sáng kiến
đột phá, những cơng trình nghiên cứu mang tính ứng dụng cao để đáp ứng được
những yêu cầu mới trong cuộc sống về công nghê, năng lượng và sự tiên nghi.


LỜI CẢM ƠN
Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu và Quý
Thầy Cô trường Đại Học Sư Phạm TPHCM đã tận tình truyền đạt kiến thức cơ sở, kỹ
năng, niềm đam mê tìm tịi, học hỏi và nghiên cứu đến thế hệ sinh viên chúng em.
Điều đó là một nền tảng vững chắc cho chúng em có thể hồn thiện được đồ án theo
đúng yêu cầu đề ra.

Việc có được một đề tài phù hợp với năng lực của nhóm cũng như thỏa mãn
được tính nghiên cứu sáng tạo là rất khó. Vì vậy nhóm chúng em xin chân thành cảm
ơn thầy Hồng An Quốc, thầy là người đã mở lối đi và trực tiếp hướng dẫn nhóm
chúng em cho đến khi hồn thành đồ án. Với kiến thức và sự chỉ dẫn nhiệt tình của
Thầy đã tạo được cho nhóm chúng em điều kiện thuận lợi để hồn thành đồ án. Bên
cạnh đó, việc nghiên cứu được một công nghệ mới đã giúp cho nhóm càng có niềm
tin vào ngành nghề đã chọn, vào vai trò của nghề trong xã hội và những cơ hội mới
được mở ra cho sinh viên ngành nhiệt.
Bên cạnh đó nhóm chúng em cũng xin cảm ơn tất cả bạn bè đã đồng hành và
giúp đỡ nhóm chúng em những thơng tin hữu ích, những lời động viên để cùng nhau
đi đến ngày bảo vệ đồ án và sẽ còn đồng hành cùng nhau trong những giai đoạn tiếp
theo để cùng nhau đạt được những kết quả như mong đợi.
Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn.


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
...............................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................

.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
Tp.HCM, ngày tháng

năm


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................

.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
Tp.HCM, ngày tháng năm


Đề tài nghiên cứu khoa học

1

GVHD: TS. Hoàng An Quốc

Phần I: MỞ ĐẦU
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:

I.

Trong hơn 2 thập kỷ trở lại đây, vấn đề đang được quan tâm nhất là khủng
hoảng nền kinh tế mà một trong những ngun nhân góp phần vào sự suy thối này
chính là nhiên liệu mà đặt biệt là dầu mỏ.
Do đó, việc nghiên cứu các công nghệ sử dụng nguồn nhiên liệu xanh – sạch
nói chung là rất cần thiêt. Góp phần vào việc giảm tải gánh nặng nhiên liệu cũng như
sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch của cơng nghệ. Đối với ngành cơng nghệ Nhiệt
– Lạnh nói riêng, việc tận dụng được các nguồn năng lượng sạch đặt biệt là năng
lượng mặt trời là rất quan trọng vì nhu cầu làm lạnh tăng tỉ lệ thuận với nắng nóng của
mặt trời.
Vì vậy, mơ hình máy lạnh hấp phụ sử dụng năng lượng mặt trời là một trong
những cơng trình nghiên cứu đáp ứng được các yêu cầu về năng lượng. Tuy nhiên, chi
phí cho hệ thống cịn q cao, vận hành còn phức tạp so với một thiết bị thương mại,
hiệu suất hệ thống chưa cao. Nếu nhận được sự quan tâm đúng mức và nghiên cứu kỹ
nhằm giảm giá thành và nâng cao hiệu suất của mơ hình để có thể đáp ứng được các
yêu cầu thương mại sử dụng rộng rãi trong cuộc sống sẽ mang lại nguồn lợi rất lớn
cho người nghiên cứu cũng như tiết kiệm được một khoảng năng lượng cho quốc gia
trong lĩnh vực lạnh.
MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI:

II.
1.

Mục tiêu:

Nghiên cứu, tính tốn, thiết kế và chế tạo một mơ hình máy lạnh hấp phụ
sử dụng năng lượng mặt trời nhằm tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường. Bên
cạnh đó là việc tạo ra hướng đi mới cho ngành, cùng với việc đóng góp được thêm
một mơ hình nghiên cứu cho trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật và sau cùng là
hệ thống lại kiến thức và áp dụng được vào một mơ hình cụ thể.
2.

Nhiệm vụ:

- Tìm hiểu về quá trình hấp phụ và máy lạnh hấp phụ.
- Tìm hiểu về năng lượng mặt trời, việc thu gom, tích trữ và sử dụng.
- Tính tốn, thiết kế một hệ thống máy lạnh hấp phụ sử dụng năng lượng mặt
trời
- Chế tạo thành một mơ hình hồn chỉnh.
3. Đối tượng và khách thể nghiên cứu của đề tài:
3.1.

Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu là máy lạnh hấp phụ sử dụng năng lượng mặt trời. Phạm
vi nghiên cứu là máy lạnh hấp phụ dùng năng lượng mặt trời với cặp mơi chất là than
hoạt tính + methanol.
3.2.

Khách thể nghiên cứu:

- Năng lượng mặt trời, bức xạ mặt trời, và các ứng dụng của năng lượng mặt
trời.

- Quá trình hấp phụ, các ngun lý, tính chất của q trình hấp phụ.


Đề tài nghiên cứu khoa học
4.

2

GVHD: TS. Hoàng An Quốc

Giả thuyết nghiên cứu:

- Mang lại hướng đi mới cho ngành Nhiệt – Điện Lạnh.
- Tận dụng được nguồn nhiên liệu sạch.
- Kiểm chứng lại các nguyên lý, tính chất đã được học.
5.

Tài liệu nghiên cứu:

- Các giáo trình về kỹ thuật lạnh cơ sở.
- Tài liệu về quá trình hấp phụ và máy lạnh hấp phụ trong và ngoài nước.
- Các ngun lý, tính chất về q trình trao đổi nhiệt.
- Năng lượng mặt trời và các nguyên lý của việc hấp thu và sử dụng năng
lượng mặt trời.
- Các thông tin về công nghệ và kỹ thuật từ internet.
6.

Phương pháp nghiên cứu:

Để hồn thành đề tài, nhóm đã áp dụng các phương pháp khác nhau như:

- Phương pháp tổng hợp các tư liệu, ý kiến của giáo viên.
- Phân tích, chọn lọc để có được tư liệu hữu ích.
- Phương pháp thí nghiệm thử và sai nhằm có được những số liệu thích hợp.
7.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

Nghiên cứu chế tạo nhằm đưa được ra thực tế cuộc sống máy lạnh sử dụng năng
lượng mặt trời với mức giá thích hợp, có thể sản xuất đại trà, cạnh tranh.
8.

Dàn ý đề tài:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI
Chương 3 :NHỮNG KIẾN THỨC NỀN TẢNG CÓ LIÊN QUAN
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO


Đề tài nghiên cứu khoa học

3

GVHD: TS. Hoàng An Quốc

Phần II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI

1.1.

Khái niệm:

Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt
Trời cùng với một phần nhỏ năng lượng từ các hạt nguyên tử khác phóng ra từ Mặt
Trời.
Dịng năng lượng này tiếp tục được phát ra cho đến khi quá trình phản ứng hạt
nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, khoảng 5 tỷ năm. Do vậy, đây được xem như
nguồn năng lượng vô tận
1.2.

Đặc điểm của năng lượng mặt trời:

NLMT là dạng năng lượng gốc từ đó sinh ra các dạng năng lượng khác
NLMT là dạng năng lượng tái tạo hầu như vơ tận
Khai thác NLMT khơng gây ơ nhiễm và ít ảnh hưởng đến môi trường
sinh thái trong khu vực khai thác.
1.3.

Hạn chế trong việc khai thác nlmt:

Cần có diện tích rộng nếu muốn có được cơng suất lớn:
+ 1MW cần từ 2 – 3ha.
+ Mật độ trung bình 1kW quang năng trên 1m2
NLMT phụ thuộc vào chu kỳ ngày đêm, vì vậy, nếu muốn được sử
dụng liên tục cần có thiết bị tích trữ
NLMT phụ thuộc vào thời tiết.
NLMT có giá thành cao, cần được sự hỗ trợ để phát triển rộng rải.
1.4.

Tiềm năng nlmt ở việt nam:

Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân bổ
ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, với
dải bờ biển dài hơn 3.000km, có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng
nhiều nơi khơng thể đưa điện lưới đến được.
Giữa trưa, nếu trời quang tổng bức xạ mặt trời vào khoảng 1000 –
1200W/m2
Trung bình ở Tân Sơn Nhất đo được năng lượng bức xạ vào khoảng
1621kWh/m2
1.5.

Các dạng của bộ thu nlmt:

1.5.1. Dạng tấm:


Đề tài nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Hồng An Quốc

4

Hình 1: Bộ thu nlmt dạng tấm phẳng

Hình 2: Pin nlnt

1.5.2. Dạng tập trung:

Hình 3:
Bộ thu nlmt dạng tập trung

1.5.3.

Bộ thu nlmt dạng ống nhiệt:

Hình 4:
Bộ thu nlmt dạng ống nhiệt

1) Những ống hút chân khơng kim loại - kính với ống nhiệt thu hồi năng lượng
mặt trời hiệu quả cao hơn 10% so với những ống làm tồn bằng kính thơng thường.
2) Có thể sử dụng với mọi thời tiết.
3) Những ống nhiệt bằng đồng để truyền nhiệt nhanh hơn.
4) Dễ dàng lắp phích cắm để gắn trên mái hoặc ở dưới đất.
5) Bảo dưỡng miễn phí.
6) Phù hợp đối với áp lực nước lên tới 8 bar/116psi.
7) Ống nước bằng đồng được mạ bạc chống ăn mòn.


Đề tài nghiên cứu khoa học

5

GVHD: TS. Hoàng An Quốc

8) Vật liệu khung: thép tiêu chuẩn loại 304 2B.
9) Vật liệu đúc: thép không gỉ loại 304 2B.
10) Chất cách điện rất tốt nhờ bông thủy tinh.
11) Bộ cách nhiệt có thể được kết nối với nhau để tăng cơng suất nung nóng

nước.
12) Những ống này dễ dàng thay thế nếu bị vỡ - có thể được sử dụng với
những ống vỡ.
13) Lý tưởng ứng dụng đun nóng nước bằng năng lượng mặt trời được thương
mại hóa.
1.6.
phơi, sấy.
-

Khai thác nlmt:
Biến đổi trực tiếp thành nguồn nhiệt như nung nước, làm hóa hơi nước,
Biến đổi trực tiếp thành điện.
Nhà máy nhiệt điện mặt trời.
Biến đổi thành nguồn lạnh như máy lạnh hấp phụ, hấp thụ.
Dùng trong chiếu sáng.
Dùng trong giao thông vận tải.


Đề tài nghiên cứu khoa học

6

GVHD: TS. Hoàng An Quốc

Chương 2
TỔNG QUAN VỀ MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG
NLMT
2.1.

Sơ lượt về máy lạnh hấp phụ ( mlhp):

Sơ đồ 1: Nguyên lý máy lạnh hấp phụ
+ Bộ thu NLMT bên trong có chứa chất hấp phụ để hấp thụ năng lượng mặt
trời, nhiệt độ bộ thu có thể đạt từ 80-90oC.
+ Thiết bị ngưng tụ đối lưu tự nhiên ( có cánh hoặc có thể khơng có cánh)
+ Bình chứa dùng để chứa tác nhân lạnh ngưng tụ về.
+Van tiết lưu tay để tiết lưu tác nhân lạnh vào TBBH.
+ Thiết bị bay hơi dùng để làm lạnh.
2.2.

Nguyên lý hoạt động của mlhp:

Vào ban ngày, hệ thống nhận năng lượng bức xạ mặt trời để làm bốc hơi môi
chất lạnh trong bộ thu, sau khi bốc hơi ra khỏi chất hấp phụ, môi chất lạnh được
ngưng tụ tại thiết bị ngưng tụ nhờ trao đổi nhiệt với khơng khí đối lưu tự nhiên bên
ngồi, mơi chất lạnh lỏng được chảy xuống bình chứa, lúc này van tiết lưu đóng, van
chặn mở.
Vào ban đêm, khi hết bức xạ mặt trời ta đóng van chặn lại. Bộ thu bây giờ
đóng vai trị búc xạ nhiệt và nhờ quá trình bức xạ này mà nhiệt độ bộ thu giảm xuống,
khả năng hấp thụ của chất hấp phụ tăng, áp suất trong hệ thống giảm xuống đến khi
nhiệt độ toàn hệ thống đạt đến nhiệt độ mơi trường thì đến lúc này ta có thể mở từ từ
van tiết lưu, lúc đó lỏng mơi chất được tiết lưu vào thiết bị bay hơi. Ở đó môi chất
lạnh nhận nhiệt để bay hơi và được hấp thụ bởi chất hấp phụ trong bộ thu. Quá trình
làm lạnh tiếp tục xảy ra trong suốt đêm cho đến khi bộ thu có thể nhận nhiệt từ bức xạ
mặt trời vào ngày hơm sau. Chu trình cứ thế tiếp tục.


Đề tài nghiên cứu khoa học

7

GVHD: TS. Hoàng An Quốc

Chu trình nhiệt động của máy lạnh có thể biểu diễn trên đồ thị p-T như hình
vẽ.

P
2

3

Ta1 Tg1

Tg2

Pk

1

4

Po

Ta2

T

Chu trình thuộc loại gián đoạn bao gồm 2 quá trình
+ Quá trình nhiệt:
Quá trình 1-2 (7h đến 11h): cấp nhiệt đẳng khối lượng, nhiệt độ và áp suất của hệ

thống tăng theo bức xạ mặt trời do nhận nhiệt từ bộ hấp phụ.
Quá trình 2-3 (từ 11h đến 16h): nhả mơi chất và ngưng tụ tại bộ ngưng tụ,
Methanol bắt đầu tách ra khỏi Than Hoạt Tính được ngưng tụ và tích tụ lại ở bình
chứa.
+ Quá trình lạnh:
Quá trình 3-4 (từ 16h đến 19h): làm mát đẳng khối lượng, bức xạ mặt trời
giảm, bộ hấp thụ được làm mát bằng đối lưu tự nhiên, nhiệt độ và áp suất trong hệ
thống giảm.
Quá trình 4-1 (từ 19h đến 7h sáng hơm sau): bay hơi và hấp phụ, môi chất bay
hơi trong thiết bị bay hơi nhận nhiệt của nước cần làm đá và bị Than Hoạt Tính trong
bộ hấp phụ hút về.
2.3.

Mơ hình mlhp sử dụng cặp mơi chất than hoạt tính và methanol:

2.3.1. Các bộ phận chính của hệ thống:
2.3.1.1. Bộ thu nlmt:


Đề tài nghiên cứu khoa học

8

GVHD: TS. Hồng An Quốc

Hình 5: Bộ thu nlmt
Đây là dạng tấm phẳng, tác dụng chính là gia nhiệt cho than hoạt tính
bên trong các ống hay còn gọi là Bộ Hấp Phụ, nhiệt độ thích hợp vào khoảng 70800C. Vì vậy cần được bọc cách nhiệt cẩn thận.
Than Hoạt Tính đóng vai trị là chất hấp phụ, làm nhiệm vụ hấp phụ
Methanol dạng hơi từ thiết bị bay hơi, khi điều kiện thích hợp. Và khi được các tia

bức xạ mặt trời gia nhiệt lên nhiệt độ cao thì than sẽ nhả hấp phụ vì vậy mà Methanol
được đẩy lên thiết bị ngưng tụ.
2.3.1.2.

Thiết Bị Ngưng Tụ:

Hình 6: Thiết bị ngưng tụ
Nhiệm vụ chính là ngưng tụ và hạ nhiệt độ Methanol thoát ra từ Than
Hoạt Tính đến nhiệt độ mơi trường.
Thiết bị ngưng tụ thơng dụng có 2 loại: có cánh tản nhiệt và khơng có
cánh tản nhiệt.
Được chế tạo bằng các ống inox nhằm đảm bảo khả năng trao đổi nhiệt
đối lưu tự nhiên và tính thẩm mĩ của mơ hình.
2.3.1.3.

Bình chứa:


Đề tài nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Hoàng An Quốc

9






Chứa Methanol dạng lỏng sau

khi đã được ngưng tụ từ thiết
bị ngưng tụ.
Cung cấp đều mơi chất cho
q trình tiết lưu để đảm bảo
quá trình làm lạnh được đều
đặn hơn.
Vật liệu chế tạo là inox.
Các thiết bị đi kèm gồm van
nạp, van xả và đồng hồ theo
dõi áp suất của hệ thống.

 Van tiết lưu: Đây là dạng
van tiết lưu điều chỉnh
bằng tay.




Do q trình làm lạnh là
khơng liên tục nên cần phải
đóng hoặc mở trong những
khoang thời gian nhất định.
Việc điều chỉnh bằng tay giúp
điều khiển được nhiệt độ bay
hơi khi áp suất thay đổi.

2.3.1.4. Thiết bị bay hơi:






Đây là nơi diễn ra quá trình
làm nước đá.
Các khoang chứa nước được
làm bằng inox.
Được bọc cách nhiệt cẩn
thận.

2.3.2. Nguyên lý hoạt động:
Bộ thu năng lượng mặt trời hấp thụ năng lượng mặt trời làm cho môi chất
trong chất hấp phụ bay hơi. Nhiệt độ môi chất trong bộ hấp thụ tăng lên đến nhiệt độ
Tg1 (nhiệt độ bắt đầu bốc hơi của môi chất lạnh của chất hấp thụ) và làm cho áp suất


Đề tài nghiên cứu khoa học

10

GVHD: TS. Hoàng An Quốc

trong máy lạnh tăng đến áp suất ngưng tụ pk. Khi đó hơi mơi chất thốt ra được ngưng
tụ lại ở bộ phận ngưng tụ và được dẫn về phần chứa lỏng môi chất.
Ban đêm, bức xạ mặt trời giảm và quá trình bay hơi-hấp phụ diễn ra. Nhiệt độ bộ
phận hấp thụ giảm xuống từ Tg2 đến Ta1, áp suất môi chất trong bộ hấp thụ giảm
xuống đến áp suất bay hơi p0, q trình bay hơi của mơi chất xảy ra và nước đá sẽ
được tạo thành trong bộ phận làm lạnh. Do quá trình làm lạnh bộ phận hấp phụ và
hơn nữa do q trình hấp thụ có thải ra một lượng nhiệt nên nhiệt độ trong bộ thu
năng lượng mặt trời tăng lên, do đó cần chú ý đến việc thốt nhiệt. Q trình làm lạnh
sẽ tiếp tục xảy ra trong suốt đêm cho đến khi bộ thu năng lượng mặt trời có thể nhận

nhiệt từ bức xạ mặt trời vào ngày hơm sau. Chu trình cứ lặp lại như vậy. Chu trình
nhiệt động của máy lạnh có thể biểu diễn trên đồ thị p-T như hình vẽ

P
2

3

Ta1 Tg1

Tg2

Pk

1

4

Po

Ta2

T

Chu trình nhiệt lý tưởng của máy lạnh hấp phụ trên đồ thị P-T
Chu trình thuộc loại gián đoạn, có hai q trình:
Q trình nhiệt:
1-2 (7h đến 10h), nhiệt độ và áp suất của hệ thống tăng theo bức xạ mặt trời.
2-3 (từ 10 đến 16h), nhả môi chất và ngưng tụ tại bộ ngưng tụ.
Quá trình lạnh:

3-4 (từ 16 đến 19), bức xạ mặt trời giảm, nhiệt độ và áp suất của hệ thống giảm.
4-1(từ 19 đến 7h sáng hôm sau), môi chất bay hơi trong thiết bị bay hơi nhận
nhiệt của nước cần làm đá và bị hút về than hoạt tính trong bộ thu năng lượng mặt
trời.
2.4.
Các cơng trình nghiên cứu về máy lạnh hấp phụ sử dụng năng
lượng mặt trời:

Máy lạnh hấp phụ sử dụng năng lượng mặt trời dùng cặp mơi chất than
hoạt tính – methanol của TS. HOÀNG DƯƠNG HÙNG Đại Học Bách Khoa Đà
Nẵng:


Đề tài nghiên cứu khoa học

-

11

GVHD: TS. Hồng An Quốc

Cơng suất hệ thống là 2kg đá/ ngày.
Kích thướt bộ thu 0.55m2
Thể tích khung làm đá là 2.5lit.
Hệ số COP là 0.151
Cặp môi chất dùng trong hệ thống là than hoạt tính và methanol


Mơ hình máy lạnh hấp phụ dùng cặp mơi chất silicagel và nước do
nhóm sinh viên khóa 07 trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật HCM thực hiện:

o Cặp mơi chất là
silicagel – nước
o Cơng suất làm lạnh
2.5lít nước.
o Thể tích bình bay hơi
là 2.535lít.


Máy lạnh hấp phụ với cặp chất hấp phụ silicagel và nước sản xuất
nước đá để giữ lạnh cho 1 thùng lạnh 100 lít. COPs đạt 0,1- 0,15 của Laboratoire
d’Energ_etique Solaire, EIVD (HES-SO), 1, Route de Cheseaux, CH-1400 Yverdonles-Bains, Switzerland And C.N.R.S.-L.I.M.S.I., B.P. 133, F-91403 Orsay Cedex,
France


Đề tài nghiên cứu khoa học

12

GVHD: TS. Hoàng An Quốc


Máy lạnh hấp phụ sử dụng năng lượng mặt trời của khoa Khoa Học và
Nghiên cứu năng lượng mặt trời Maroc.
Mô hình máy lạnh hấp phụ tại Maroc






Hệ thống dùng cặp mơi chất là than hoạt
tính và methanol.
Bộ thu có diện tích là 1m2 chứa được 22kg
than hoạt tính.
Dàn ngưng có diện tích trao đổi nhiệt
khoảng 10m2.
Dàn bay hơi có điện tích 1m2.
Buồng lạnh có sức chứa 100lít nước bao
gồm dàn bay hơi.

Hệ thống dùng cặp môi chất là than hoạt tính và methanol.
Bộ thu có diện tích là 1m2 chứa được 22kg than hoạt tính.
Dàn ngưng có diện tích trao đổi nhiệt khoảng 10m2.
Dàn bay hơi có điện tích 1m2.
Buồng lạnh có sức chứa 100lít nước bao gồm dàn bay hơi.
Hệ thống có khả năng sản xuất 5kg đá mỗi ngày hoặc có thể duy trì
nhiệt độ phịng trong khoảng 0-50C.

Cơng trình nghiên cứu máy lạnh hấp phụ sử dụng năng lượng mặt trời
2 cấp của khoa cơ khí thuộc viện công nghệ quốc gia Ấn Độ:


Đề tài nghiên cứu khoa học

13

GVHD: TS. Hoàng An Quốc
- Cặp mơi chất dùng trong hệ
thống là than hoạt tính và methanol.
- Nghiên cứu mơ hình nhằm khắc

phục nhược điểm làm lạnh gián
đoạn của hệ thống 1 cấp.
- Hệ thống dùng bộ thu năng lượng
mặt trời dạng parabolic.

Hình 14

- Hệ thống dùng tháp giải nhiệt để
ngưng hơi methanol.
- 2 buồng hấp phụ được làm bằng
inox có khả năng chứa được 3.5kg
than.
- Hệ số cop đạt được là 0.196 vào
ban ngày và 0.335 vào ban đêm.
- Nguồn nhiệt thích hợp cho hệ
thống vào khoảng 720c

Hình 15

Cơng trình nghiên cứu máy lạnh hấp phụ tận dụng nhiệt thừa hoặc
năng lượng mặt trời thuộc khoa nhiệt lạnh và lạnh sâu của trường Đại Học Jiao Tong
Thượng Hải.

Cơng trình nghiên cứu máy lạnh hấp phụ tận dụng nhiệt thừa hoặc
năng lượng mặt trời thuộc khoa nhiệt lạnh và lạnh sâu của trường Đại Học Jiao Tong
Thượng Hải.


Đề tài nghiên cứu khoa học

14

GVHD: TS. Hồng An Quốc

Hình 18: Mơ hình chi tiết
hệ thống
(a) Kính thu năng lượng
mặt trời
(b) film cách nhiệt teflon
(c) bệ mặt bảo vệ ống
(d) đường ống hơi
(e) buồng silicagel
(f) lớp cách nhiệt
(2) buồng thông gió
(2a) trạng thái đóng,
(2b) trạng thái mở.
(3) dàn ngưng,
(4) buồng lạnh,
(5) dàn bay hơi và buồng
trữ đá


Đề tài nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Hồng An Quốc

15

.
Hình 19: Hệ thống chiller dùng năng lượng mặt trời tại Thượng Hải


Cơng trình nghiên cứu nhằm tối ưu hóa hệ thống lạnh hấp phụ dùng
năng lượng mặt trời thuộc viện công nghệ và khoa học năng lượng Canada.

Sơ đồ trao đổi nhiệt của
hệ thống

Đồ thị lnp – T của
hệ thống


Đề tài nghiên cứu khoa học

16

GVHD: TS. Hồng An Quốc


Cơng trình nghiên cứu máy lạnh hấp phụ năng lượng mặt trời hiệu suất
cao của Thụy Sỹ:

-

Hình 22: Mơ hình máy lạnh hiệu suất cao
Hệ thống với 2 lớp kính phẳng rộng 2m2 để thu nlmt
Dàn ngưng trao đổi nhiệt tự nhiên.
Dàn bay hơi chứa được 40lit nước có thể được đơng đá.
Có thể làm lạnh kho chứa 320 lit nước.
Hệ số COP của hệ thống vào khoảng 0.13 – 0.16

Đề tài nghiên cứu khoa học

17

GVHD: TS. Hoàng An Quốc

Chương 3
NHỮNG KIẾN THỨC NỀN TẢNG CÓ LIÊN QUAN
3.1.

Năng lượng mặt trời:

- Tổng quan về năng lượng mặt trời.
- Khả năng thu nhận và tích trữ năng lượng mặt trời.
- Tiềm năng của nước ta về năng lượng mặt trời.
- Các hạn chế cũng như khả năng ứng dụng năng lượng mặt trời vào q trình
làm lạnh.
3.2.
Tính chất hấp phụ:
3.2.1. Các tính chất của vật liệu hấp phụ:
Vật liệu hấp phụ thường là các loại vật liệu dạng hạt từ 6 đến 12 mm xuống
đến cỡ 200 m, có độ rỗng lớn được hình thành do các mạch mao quản li ti nằm bên
trong khối vật liệu. Đường kính của mao quản chỉ lớn hơn 1 số ít lần đường kính phân
tử của chất hấp thụ thì vật liệu mới có tác dụng tốt. Do chứa nhiều mao quản nên bề
mặt tiếp xúc của vật liệu rất lớn. Ví dụ than hoạt tính có bề mặt hiệu quả lên đến 10 6
đến 107 m2/kg. Ngoài bề mặt tiếp xúc ra, vật liệu hấp phụ cịn có một số tính chất hố
học cần thiết tuỳ thuộc vào thành phần hoá học của chúng. Ví dụ than hoạt tính có ái
lực rất mạnh với hydrocacbon, trong lúc silicagenl lại có tính chất hút nước rất mạnh
. Than hoạt tính và cả silicagen đều có khả năng hồi phục – tức hồn ngun.

Vật liệu hấp phụ cần đáp ứng các yêu cầu sau đây:
+ Có khả năng hấp phụ cao – tức hút được 1 lượng lớn các khí cần khử từ pha
khí.
+ Phạm vi hấp phụ rộng – khử được nhiều loại khí khác nhau.
+ Có độ bền cơ học cần thiết.
+ Có khả năng hoàn nguyên dễ dàng.
+ Giá thành rẻ.
Vật liệu hấp phụ có thể chia thành 3 nhóm chính:
+ Vật liệu khơng có cực: trên bề mặt của chúng xảy ra chủ yếu là hiện tượng
hấp phụ vật lý.
+ Vật liệu có cực: Trên bề mặt chúng xảy ra quá trình hấp phụ hố học nhưng
khơng làm thay đổi cấu trúc phân tử chất khí cũng như cấu trúc bề mặt vật liệu hấp
phụ.
Vật liệu phổ biến nhất thuộc nhóm 1 là than hoạt tính – vật liệu hồn tồn cấu
tạo bởi 1 dạng ngun tử trung tính có các điển tích phân bổ đều trên bề mặt.
Kích thước lỗ rỗng (đường kính mao quản) đóng vai trị quan trọng làm cho
vật liệu hấp phụ có khả năng hấp phụ được chất này hoặc chất khác, tức có tính lựa
chọn. Ví dụ đường kính mao quản 0,003 m thì vật liệu có thể hấp phụ được các chất
như: NH3, H2O. Nếu đường kính tăng đến 0,004 m thì các loại phân tử lớn hơn như
SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 và C2H5OH đều có thể bị hấp phụ. Khi đường kính mao


Đề tài nghiên cứu khoa học

18

GVHD: TS. Hoàng An Quốc

quản 0,005 m thì vật liệu cịn hấp phụ được parafin và cả các hydrocacbon mạch
vịng.

Than hoạt tính:
Ngun liệu để làm than hoạt tính là những vật có chứa cácbon như gỗ,
antraxit, than bùn, xương động vật.
Quá trình làm than hoạt tính như sau:
+ Chưng khơ các vật liệu trên.
+ Kích thích các hoạt tính của than sau khi chưng khơ.
Tính chất của than hoạt tính phụ thuộc vào tính chất của ngun liệu đầu và
điều kiện hoạt hố.
Than hoạt tính có thể dùng ở dạng bột (50 – 200 m) hay dạng hạt có kích
thước từ 1 – 7 mm. Bề mặt hoạt động được biểu diễn bằng m2/kg, một gam than hoạt
tính có thể đạt từ 600 – 700 m2.
Than hoạt tính là một chất hấp phụ rất tốt, nó được ứng dụng chủ yếu trong
việc thu hồi các dung mơi hữu cơ và để làm sạch khí.
Nhược điểm của than hoạt tính là dễ cháy ở nhiệt độ cao, thường không được
dùng than ở nhiệt độ lớn hơn 2000C.
3.2.2.

Các tính chất của vật bị hấp phụ ( mơi chất lạnh ):

- Tính chất hố học:
+Khơng độc hại với môi trường, không làm ô nhiểm môi trường.
+Phải bền vững về mặt hoá học trong phạm vi áp suất và nhiệt độ làm việc,
khơng được phân huỷ hoặc polime hố.
+Phải trơ hố học, khơng ăn mịn các vật liệu chế tạo máy, không phản ứng
với dầu bôi trơn, oxi trong khơng khí và hơi ẩm.
+An tồn , khơng cháy và khơng nổ.
- Tính chất vật lý:
Áp suất ngưng tụ khơng được q cao để giảm rị rỉ mơi chất, giảm chiều dày
vách, thiết bị và giảm nguy hiểm do vỡ, nổ.
+Áp suất bay hơi không được quá nhỏ, phải lớn hơn áp suất khí quyển chút ít

để hệ thống khơng bị chân khơng, tránh lọt khơng khí vào hệ thống.
+Nhiệt độ đông đặc phải thấp hơn nhiệt độ bay hơi nhiều.
+Nhiệt độ tới hạn phải cao hơn nhiệt độ ngưng tụ nhiều.
+Nhiệt ẩn hoá hơi r = h”-h’ và nhiệt dung riêng C của môi chất lỏng càng lớn,
càng tốt, chúng đóng vai trị quan trọng trong việc đánh giá chất lượng mơi chất lạnh.
Nhiệt ẩn hố hơi càng lớn, lượng mơi chất tuần hồn trong hệ thống càng nhỏ và năng
suất lạnh riêng khối lượng cũng càng lớn.
+Năng suất lạnh riêng thể khí càng lớn càng tốt vì máy nén và thiết bị càng gọn
nhẹ.


Đề tài nghiên cứu khoa học

19

GVHD: TS. Hoàng An Quốc

+Độ nhớt động càng nhỏ càng tốt vì tổn áp suất trên đường ống và các van
giảm.
+Hệ số dẫn nhiệt, hệ số toả nhiệt càng lớn càng tốt vì thiết bị trao đổi nhiệt gọn
nhẹ hơn.
+Sự hồ tan dầu của mơi chất cũng đóng vai trị quan trọng trong sự hình thành
và bố trí thiết bị.
+Mơi chất hồ tan nước càng nhiều càng tốt vì tránh được tắc ẩm cho van tiết
lưu.
+Phải khơng dẫn điện để có thể sử dụng cho máy nén kín và nửa kín.
-Tính chất sinh lý:
+Khơng được độc hại đối với người và cơ thể sống, không gây phản ứng với cơ
quan hô hấp, không tạo các khí độc hại khi tiếp xúc với ngọn lửa hàn và vật liệu chế
tạo máy.

+Phải có mùi đặc biệt để dễ dàng phát hiện rị rỉ và có biện pháp phịng tránh,
an tồn. Nếu mơi chất khơng có mùi có thể pha thêm chất có mùi để nhận biết nếu
chất đó khơng ảnh hưởng chu trình lạnh.
+Khơng được ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm bảo quản.
- Tính kinh tế:
+Giá thành phải rẻ, tuy nhiên phải đạt độ tinh khiết yêu cầu.
+Dể kiếm, nghĩa là việc sản xuất, vận chuyển, bảo quản dễ dàng.
Thực tế, khơng có mơi chất lạnh lý tưởng đáp ứng được các yêu cầu trên mà
chỉ có mơi chất đáp ứng được ít hoặc nhiều các yêu cầu trên. Khi chọn môi chất cho
một ứng dụng cụ thể, cần phát huy được các ưu diểm một cách tối đa và hạn chế đến
mức thấp nhất các nhược điểm của nó.
Metanol có cơng thức hố học CH3OH, là rượu metylic không màu, rất độc
(làm mù mắt), dễ cháy, pha với nước thành dung dịch có mùi cồn, được sản suất bằng
phương pháp tổng hợp xúc tác ở áp suất cao (250 bar, 380 0C) từ cacbon monxit và
hydro.
+Ưu điểm: khơng ăn mịn kim loại chế tạo máy.
+Nhược điểm: đắt tiền , dễ bay hơi , tổn thất vào khơng khí khi hệ thống khơng
kín cũng như nhiều trường hợp có tính chất độc hại.
3.2.3.

Các thuyết về hấp phụ:

Q trình hấp phụ là q trình hút khí bay hơi hoặc chất hòa tan trong chất
lỏng bằng chất rắn xốp. Chất bị hút gọi là chất bị hấp phụ (adsorbate). Chất rắn xốp
gọi là chất hấp phụ (adsorpbent).
Quá trình hấp phụ lên bề mặt xốp của chất hấp phụ gồm 3 giai đoạn:
1.

Chuyển chất từ pha lỏng đến bề mặt ngoài của hạt chất hấp phụ.

2.

Khuyếch tán vào các mao quản của hạt.