Thạc Sĩ Nghiên cứu các giải pháp sử dụng máy lạnh hấp thụ hiệu quả

Luận văn thạc sĩ năm 2012
Đề tài: NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP SỬ DỤNG MÁY LẠNH HẤP THỤ HIỆU QUẢ
Định dạng file word


MỤC LỤC
Chương 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .1
1.1 Đặt Vấn Đề 1
1.2 Đối tượng nghiên cứu của đề tài .2
1.3 Mục tiêu của đề tài .3
1.4 Tính cấp thiết và tầm quan trọng của đề tài 3
1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới 3

1.5.1
1.5.2
Tình hình nghiên cứu trong nước .3
Tình hình nghiên cứu trên thế giới 4

1.6 Các nội dung chính của đề tài .7
1.7 Giới hạn của đề tài 7
1.8 Bố cục của đề tài .7
Chương 2: GIỚI THIỆU MÁY LẠNH HẤP THỤ 8
2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế máy lạnh hấp thụ .8

2.1.1
2.1.2
2.1.3
Giới thiệu chung về máy lạnh hấp thụ 8
Nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ 9
Công chất dùng trong máy lạnh hấp thụ .11

2.1.3.1 Các yêu cầu đối với công chất dùng trong máy lạnh hấp thụ .11
2.1.3.2 Các loại công chất thông dụng .12

2.1.4
2.1.5
Ưu nhược điểm của máy lạnh hấp thụ 13
Phân loại máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr .15

2.1.5.1 Máy lạnh hấp thụ một cấp .15

2.1.5.1.1
2.1.5.1.2
Sơ đồ và nguyên lý làm việc 15
Đặc điểm 16

2.1.5.2 Máy lạnh hấp thụ hai cấp .16

2.1.5.2.1
2.1.5.2.2
Sơ đồ và nguyên lý làm việc 16
Đặc điểm 18

2.1.5.3 Máy lạnh hấp thụ ba cấp 18

2.1.5.3.1
Sơ đồ và nguyên lý làm việc 18
2.1.5.3.2


vi


Đặc điểm 20

2.1.5.4 Các loại máy lạnh khác 21

2.1.6
2.1.7
Nguồn nhiệt dùng cho máy lạnh hấp thụ 21
Lựa chọn máy lạnh hấp thụ phù hợp cho căn hộ 23

2.2 Tính toán thiết kế máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr một cấp .25

2.2.1
2.2.2
Lựa chọn mô hình máy lạnh cho căn hộ cao cấp. 25
Tính toán các thông số trạng thái cơ bản của dung dịch H2O/LiBr28

2.2.2.1 Nồng độ của dung dịch H2O/LiBr .28
2.2.2.2 Các công thức xác định các thông số trạng thái của dung dịch .28

2.2.2.2.1
2.2.2.2.2
2.2.2.2.3
2.2.2.2.4
2.2.2.2.5
2.2.2.2.6
sôi. 31
2.2.2.2.7
2.2.2.2.8
2.2.2.2.9
Entanpi của dung dịch .28
Khối lượng riêng của dung dịch .29
Nhiệt độ bão hòa của tác nhân lạnh .30
Entanpi của tác nhân lạnh 30
Áp suất bão hòa của tác nhân lạnh .31
Nhiệt độ bão hòa của tác nhân lạnh cân bằng với dung dịch lỏng

Nhiệt độ sôi của dung dịch 32
Áp suất bão hòa của dung dịch .33
Nồng độ của dung dịch 33

2.2.2.2.10 Nhiệt dung riêng của dung dịch 34
2.2.2.2.11 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch 34
2.2.2.2.12 Độ nhớt động lực học của dung dịch 34
2.2.2.2.13 Sức căng bề mặt của dung dịch 35
2.2.2.3 Các đồ thị thông dụng của dung dịch H2O/LiBr .35
2.2.2.4 Các bảng thông số của dung dịch H2O/LiBr .36

2.2.3
Chu trình máy lạnh hấp thụ một cấp 36

2.2.3.1 Biểu diễn trên đồ thị Dühring “Entanpi - nhiệt độ - nồng độ” 36
2.2.3.2 Biểu diễn trên đồ thị Dühring “Áp suất - nhiệt độ - nồng độ” .39

2.2.4
Các tính toán nhiệt động 40


vii


2.2.4.1 Bình phát sinh .40
2.2.4.2 Bình ngưng tụ 41
2.2.4.3 Bình bay hơi 42
2.2.4.4 Bình hấp thụ 43
2.2.4.5 Bình hồi nhiệt 44
2.2.4.6 Bộ hâm nước 45

2.2.5
Xác định các thông số làm việc 45

Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH HẤP THỤ CHO CĂN HỘ . 48
3.1 Tính toán chu trình máy lạnh hấp thụ một cấp .48

3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.1.4
3.1.5
3.1.6
3.1.7
3.1.8
Nhu cầu phụ tải lạnh cho căn hộ. 48
Nhiệt độ nước nóng gia nhiệt vào/ra khỏi máy lạnh hấp thụ .48
Nhiệt độ nước làm mát đi vào/ra khỏi bình hấp thụ .48
Nhiệt độ ra/ vào máy lạnh hấp thụ của chất tải lạnh 49
Nhiệt độ và áp suất bão hòa của tác nhân lạnh trong bình bay hơi.49
Nhiệt độ và áp suất ngưng tụ của tác nhân lạnh 49
Xác định các điểm nút của chu trình 50
Biểu diễn chu trình trên đồ thị 53

3.2 Tính toán phụ tải cho các thiết bị .53

3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.2.5
3.2.6
3.2.7
3.2.8
Lưu lượng tác nhân lạnh và dung dịch đi qua các thiết bị .53
Bình phát sinh .54
Bình ngưng tụ 54
Bình bay hơi 54
Bình hấp thụ 54
Bình hồi nhiệt 55
Kiểm tra lại kết qủa tính toán 55
Hệ số làm lạnh của chu trình (hệ số COP) 55

3.3 Kiểm tra đáp ứng từ môi trường 55
Chương 4: SO SÁNH MÁY LẠNH HẤP THỤ VỚI MÁY LẠNH THÔNG THƯỜNG DÙNG
ĐIỆN 60
4.1 Tính công suất điện đáp ứng cho nhu cầu lạnh trong năm 60
4.2 So sánh hiệu quả của máy lạnh hấp thụ so với máy lạnh dùng điện & kết
luận.60
4.3 Kết luận .60
4.4 Các kết quả đề tài đã làm được .61
4.5 Những yếu tố cần bổ sung để tiến tới việc chế tạo máy lạnh hấp thụ vào
mục đích thuơng mại hóa. 61
4.6 Hướng phát triển của luận văn .61
TÀI LIỆU THAM KHẢO 63
CÁC BẢNG SỐ LIỆU VỀ CÁC TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG VÀ CÁC BẢNG VỀ CÁC
THÔNG SỐ NHIỆT VẬT LÝ CỦA DUNG DỊCH H2O/LiBr . 64
TÓM TẮT


Với hai ưu điểm lớn là có thể hoạt động bằng những nguồn nhiệt thải, năng
lượng mặt trời và môi chất làm việc không gây tác hại đối với môi trường, máy
lạnh hấp thụ ngày càng được sử dụng phổ biến. Con người đã biết thay thế từ máy
nước nóng dùng điện sang dùng năng lượng mặt trời để tiết kiệm năng lượng, bảo
vệ môi trường, thực tế cho thấy hiện nay hầu hết các căn hộ cao cấp đều lắp các
máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời. Vì vậy ý tưởng thay thế máy lạnh
dùng điện sang dùng năng lượng mặt trời là có thể khả thi.
Với ý tưởng đó, luận văn này tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:

Ø Kết cấu và nguyên lý hoạt động của máy lạnh hấp thụ và so sánh với các
loại máy lạnh khác.

Ø Các nguồn năng lượng sử dụng máy lạnh hấp thụ: phân tích hiệu quả, kết
cấu hệ thống.

Ø Đề xuất mô hình máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời cho căn hộ.
Tính toán thiết kế sơ bộ máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr làm hệ thống điều hòa

trung tâm cho căn hộ cao cấp.

Ø So sánh hiệu quả kinh tế máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời với
máy lạnh dùng điện cho căn hộ cao cấp.


Chương 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Đặt Vấn Đề
Từ hàng ngàn năm trước, con người đã biết sử dụng băng tuyết để bảo quản
thực phẩm và kỹ thuật làm lạnh tự nhiên này được sử dụng đến tận đầu thế kỷ 18.
Năm 1834, chiếc máy lạnh đầu tiên của thế giới được chế tạo bởi nhà khoa học
Jacop Perskin đã đánh dấu bước tiến mới của con người trong kỹ thuật làm lạnh, đó
là kỹ thuật làm lạnh nhân tạo. Kể từ đó, kỹ thuật làm lạnh này không ngừng được
nghiên cứu, phát triển và máy lạnh không còn chỉ dùng để bảo quản thực phẩm.
Đã có nhiều loại máy lạnh được phát minh và chế tạo như: máy lạnh nén hơi,
máy lạnh hấp thụ, máy lạnh ejector, máy lạnh nhiệt điện . trong đó, đáng chú ý nhất
là loại máy lạnh nén hơi. Máy lạnh nén hơi hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng
qúa trình sôi, hóa hơi và quá trình ngưng tụ của một loại chất lỏng (tác nhân lạnh)
để nhận nhiệt lượng từ đối tượng cần được làm lạnh và nhả ra môi trường bên ngoài
với năng lượng cấp vào cho chu trình làm việc là cơ năng. Với rất nhiều ưu điểm
như: hệ số COP (hệ số làm lạnh) cao, kết cấu nhỏ gọn, làm việc tin cậy, giá thành
thấp, phạm vi áp dụng rộng máy lạnh nén hơi là loại máy lạnh được chế tạo và sử
dụng phổ biến nhất so với các loại còn lại.
Tuy nhiên, thế giới hiện tại đang đối mặt với hai vấn đề lớn, ô nhiễm môi
trường sống và nguồn dầu mỏ đang cạn kiệt, mà máy lạnh nén hơi là một trong
những yếu tố làm tăng tính nghiêm trọng của hai vấn đề này. Đa số các tác nhân
lạnh (chất CFC và HCFC) đang được sử dụng trong máy lạnh nén hơi có tác hại phá
hủy tầng ozone và gây hiệu ứng nhà kính; năng lượng hoạt động (cơ năng) của máy
lạnh phần lớn bắt nguồn từ dầu mỏ và việc tiêu thụ dầu mỏ sản sinh ra các khí gây
hiệu ứng nhà kính. Vì thế, con người đang phải cân nhắc lại khả năng ứng dụng của
máy lạnh nén hơi.
Có những biện pháp đang được thực hiện nhằm giảm thiểu tác hại của việc sử
dụng máy lạnh như: thay tác nhân lạnh là chất CFC bằng chất HFC; hạn chế sử
dụng dầu mỏ bằng cách chuyển sang sử dụng các dạng năng lượng khác như năng
lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng nước Tuy nhiên, các biện pháp trên
không thể được thực hiện một cách có hiệu quả trong một sớm một chiều.
Trong bối cảnh đó, máy lạnh hấp thụ trở thành một trong những giải pháp rất
hiệu quả giúp giải quyết các vấn đề mà máy lạnh nén hơi gặp phải. Về nguyên lý
hoạt động, máy lạnh hấp thụ cũng sử dụng qúa trình sôi, hóa hơi và quá trình ngưng
tụ của tác nhân lạnh để nhận nhiệt lượng từ vật cần làm lạnh và thải ra môi trường,
tuy nhiên, năng lượng cấp vào chu trình làm việc lại là nhiệt năng. Máy lạnh hấp
thụ có hai ưu điểm lớn là tác nhân lạnh không gây tác hại đối với môi trường và
nhiệt lượng cấp vào máy lạnh hấp thụ có thể lấy từ nguồn nhiệt thải như khí xả của
động cơ diesel, khí xả của các lò luyện kim, nước làm mát động cơ từ năng lượng
mặt trời, từ việc đốt các loại nhiên liệu như trấu, than bùn .
Thực tế, máy lạnh hấp thụ đã được phát minh từ năm 1858 bởi nhà khoa học
người Pháp Ferdinand Carré nhưng đã không cạnh tranh nổi với máy lạnh nén hơi
do có nhược điểm kích thước lớn và hệ số làm lạnh thấp. Tuy nhiên, với những ưu
điểm sẵn có cộng sự tiến bộ của con người trong kỹ thuật chế tạo và vật liệu, ngày
nay, máy lạnh hấp thụ được sản xuất rộng rãi và từng bước cạnh tranh với máy lạnh
nén hơi trong cả hai lĩnh vực làm lạnh và điều hòa không khí.
Ở Việt Nam, máy lạnh hấp thụ chỉ được nhập khẩu và sử dụng rất hạn chế.
Như đã nói, máy lạ nh hấp thụ có thể hoạt động với nguồn nhiệt như năng lượng mặt
trời, khí xả từ các động cơ diesel, nước làm mát động cơ Vì t hế, mục tiêu mà đề
tài hướng đến là xây dựng cơ sở lý thuyết tí nh toán, thiết kế máy lạnh hấp thụ hoạt
động bằng năng lượng mặt trời cho căn hộ cao cấp.
Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể làm nền tảng cho việc tính toán hệ thống
điều hòa không khí dạng hấp thụ sử dụng cho hộ gia đình
1.2 Đối tượng nghiên cứu của đề tài
Hiện nay hầu hết các hệ thống lạnh sử dụng trong công nghiệp cũng như dân
dụng đều là kiểu nén hơi. Hàng năm, các hệ thống này tiêu tốn một chi phí rất lớn
cho năng lượng hoạt động và có nguy cơ gây ra nhiều tác động xấu đến môi trường.
Với hai ưu điểm lớn là có thể hoạt động bằng nguồn nhiệt từ mặt trời và môi
chất làm việc không gây tác hại đến môi trường, máy lạnh hấp thụ rất thích hợp thay
thế các máy lạnh nén hơi làm hệ thống điều hòa trung tâm cho các tòa nhà hoặc ít
nhất là chạy song song với máy lạnh nén hơi để tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi
trường. Vì thế, đối tượng mà đề tài này muốn nghiên cứu là máy lạnh hấp thụ hoạt
động bằng nguồn nhiệt từ mặt trời cho căn hộ cao cấp
1.3 Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu mà đề tài này hướng đến là xây dựng thành công một phần cơ sở
lý thuyết tính toán thiết kế máy lạnh hấp thụ hoạt động bằng năng lượng mặt trời
dùng với mục đích điều hòa không khí cho căn hộ cao cấp. Từ các kết quả nghiên
cứu của đề tài, tiến đến nghiên cứu chế tạo máy lạnh hấp thụ sử dụng trong
công nghiệp cũng như dân dụng, góp phần cải thiện môi trường s ống của con
người, tiết kiệm năng lượng và thương mại hóa thiết bị.
1.4 Tính cấp thiết và tầm quan trọng của đề tài
Máy lạnh hấp thụ đã được nghiên cứu, chế tạo và thương mại hóa từ lâu ở
các nước như Mỹ, Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản Ở nước ta, số lượng
các công trình nghiên cứu về máy lạnh hấp thụ còn rất hạn chế, các máy lạnh
hấp thụ được chế tạo chủ yếu với mục đích thí nghiệm, nghiên cứu chứ chưa có
một đơn vị nào có khả năng chế tạo máy lạnh hấp thụ với mục đích thương mại.
Đây là sự thua thiệt của chúng ta so với các nước.
Kết quả nghiên cứu của đề tài cộng với các công trình nghiên cứu khác của
các nhà khoa học trong nước sẽ là nền tảng cho ngành chế tạo máy lạnh hấp thụ
trong tương lai của nước ta, giúp Việt Nam theo kịp xu hướng phát triển của thế
giới.
1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới
1.5.1
Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, đã có một số công trình nghiên cứu về máy lạnh hấp thụ như:
1. Đề tài KH và CN cấp nhà nước “Nghiên cứu lựa chọn quy trình công nghệ,
thiết kế, chế tạo một số thiết bị lạnh sử dụng nguồn năng lượng rẻ tiền tại địa
phương để phục vụ sản xuất và đời sống” của PGS.TS Trần Thanh Kỳ, trường
Đại học Bách Khoa TP.HCM.
Với đề tài này, PGS.TS Trần Thanh Kỳ đã nghiên cứu và chế tạo thành
công máy lạnh hấp thụ NH3/H2O dùng để sản xuất nước đá, sử dụng than cám
(hoặc các phế phẩm khác như trấu, mùn cưa ) làm chất đốt hoạt động. Thiết
bị thích hợp ứng dụng cho các vùng thiếu điện và có sẵn các nguồn chất đốt trên.
Máy này có thể sản xuất nước đá cây và nước đá viên với tốc độ nhanh chỉ
với 4 giờ, trong khi với công nghệ cũ như hiện nay việc này kéo dài trong 20
giờ, giá thành sản xuất nước đá sẽ cũng rẻ hơn so với sử dụng điện.
Ưu điểm của hệ thống là tận dụng được nguồn chất đốt sẵn có để hoạt động, thời
gian chi phí s ản xuất nước đá ít. Tuy nhiên, hệ thống lại có nhược điểm là kích thước lớn,
chi phí đ ầu tư ban đầu và chi phí bảo dưỡng lớn, hệ số làm lạnh thấp, việc đốt than cám
tạo ra các khí đ ộc Đến nay, hệ thống này vẫn chưa được ứng dụng trong thực tế.
2. Công trình “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thực nghiệm mẫu máy lạnh
hấp phụ sử dụng năng lượng mặt trời với cặp môi chất là than hoạt tính và
methanol” của tác giả Hoàng Dương Hùng, trường Đại học Bách Khoa Đà
Nẵng và đồng tác giả Trần Ngọc Lân, Sở Khoa học Công nghệ Quảng Trị.
Với công trình nghiên cứu này, hai tác giả Hoàng Dương Hùng và Trần
Ngọc Lân đã nghiên cứu chế tạo thành công máy lạnh hấp phụ dùng sản xuất
nước đá hoạt động bằng năng lượng mặt trời.
Máy lạnh hấp phụ này có ưu điểm là kết cấu gọn nhẹ, hoạt động bằng năng
lượng mặt trời nên gần như không tốn chi phí gì cho năng lượng hoạt động. Tuy
nhiên, thiết bị lại có nhược điểm lớn là chỉ có thể làm lạnh gián đoạn, công suấ t
nhỏ, chi phí cao, cũng chưa thể ứng dụng vào thực tế.
Ngoài ra, còn có một số công trình nghiên cứu về máy lạnh hấp thụ của các
nhà khoa học khác trong nước.

1.5.2

Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới, máy lạnh hấp thụ đã được nghiên cứu, chế tạo từ rất lâu, được
sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.