Báo Cáo Nghiên cứu dòng chảy và năng lượng thác nước để làm lạnh

TÓM TẮT
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm sử dụng năng lượng thác nước và dòng chảy để làm lạnh, ứng dụng kết quả nghiên
cứu để sản xuất đá phục vụ đời sống.
Đây là một hướng mới trong việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo để làm lạnh đạt
hiệu quả cao, hoàn toàn có thể triển khai rộng rãi trên thực tế, lần đầu tiên được đề xuất sử
dụng tại Việt Nam.
Các kết quả nghiên cứu đặt tiền đề cho việc xây dựng các trạm lạnh tại các vùng đồi
núi xa xôi, hẻo lánh phục vụ đồng bào dân tộc, du lịch mà không sử dụng đến điện năng.
ABSTRACT
In this article, we present theoretical and experimental results in using waterfall and
water current energy for refrigeration, and the application of these studied results to ice-making
for people’s use.
This is new method on using regeneration energy for refrigeration with high efficiency. It
may be applied in practice, for it is the first time in Vietnam that waterfall and water current
energy has been used for refrigeration.
The results from this study are the foundations for installing refrigeration stations in
remote areas to serve ethnic minorities and tourists without resorting to the use of electricity.
1. Đặt vấn đề
Năng lượng thác nước và dòng chảy là dạng năng lượng có sẵn trong tự nhiên, là
nguồn năng lượng tái tạo. Do đặc điểm nước ta có địa hình khá dốc nên nguồn năng
lượng thác nước và dòng chảy rất lớn có thể sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau.
Đại bộ phận các nguồn công suất lớn đã và đang được khai thác sử dụng làm
thủy điện, còn lại rất nhiều các nguồn có công suất vừa và nhỏ chưa được khai thác. Các
nguồn này nếu khai thác làm thủy điện sẽ không kinh tế và hiệu quả, nhưng nếu đem sử
dụng vào các mục đích khác có thể mang lại hiệu quả tốt.
Năng lượng nước có nhiều ưu điểm như có thể trực tiếp biến đổi thành cơ năng,
ổn định, công suất lớn, tập trung, lại thường có ở những nơi chưa có điện lưới nên sử
dụng nó để chạy máy lạnh rất có ý nghĩa. Dưới đây chúng tôi trình bày một số kết quả
nghiên cứu và thử nghiệm sử dụng sức nước để chạy máy lạnh.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
24
2. Các cơ sở lý thuyết
2.1. Công suất của thác nước và dòng chảy
2.1.1. Công suất của thác nước
Công suất của một thác nước được xác định như sau:
Q H M.g.h G .g.h TN TN =
τ
=
τ
= , W (1)
Trong đó:
QTN – Công suất thác nước, W;
H - Thế năng của thác nước, kJ ;
τ- Thời gian mà lượng nước M chuyển động hết thác nước, giây;
GTN - Lưu lượng thác nước, kg/s;
g- Gia tốc trọng trường, kg/s2 ;
h- Chiều cao thác nước, m.
2.1.2. Công suất dòng chảy
Công suất của dòng chảy được xác định theo công thức sau đây :
2
Q G .
2
DC
DC
ω
= , W (2)
GDC - Lưu lượng dòng chảy, kg/s ;
ω- Tốc độ dòng chảy, m/s.
2.2. Thời gian làm lạnh
o
n n d d
o Q
M.[C .t r C . t )
Q
Q + +
τ = = (3)
M – Lượng nước được sử dụng để làm lạnh, kg ;
tn, td - Nhiệt độ nước ban đầu và nhiệt độ đá thành phẩm, oC ;
Cn, Cd – Nhiệt dung riêng của nước và của đá , J/kg.K ;
r – Nhiệt ẩn đông đặc của nước, J/kg.
Qo – Năng suất lạnh của máy lạnh, W.
Thời gian làm lạnh ở trên có thể chia ra làm 3 giai đoạn: giai đoạn hạ nhiệt độ
đến 0oC, giai đoạn đông đặc và giai đoạn hạ nhiệt độ đá.
2.3. Năng suất và hiệu quả làm lạnh
2.3.1. Năng suất lạnh của máy nén
o
h
2
o o o q .
4v
Q G .q . d .s.Z.n
π
= = λ (4)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
25
Go – Lưu lượng tuần hoàn của gas, kg/s;
qo – Năng suất lạnh riêng của chu trình, J/kg;
λ, vh – Hệ số cấp chu trình và thể tích riêng (m3/kg) của trạng thái hút
của chu trình;
d, s, Z, n – Đường kính (m) , hành trình (m), số xi lanh và tốc độ quay
máy nén (vòng/giây).
2.3.2. Năng suất lạnh hữu ích làm lạnh nước đá
τ
ư
Q = M.C (t t n )
'
HI n n
o (5)
tn- Nhiệt độ của nước tại thời gian τ.
2.3.3. Hiệu quả lạnh của máy lạnh
TN
oMN
MN Q
ε = Q (6)
2.3.4. Hiệu quả lạnh của hệ thống lạnh
TN
HI
o
HT Q
Q ε = (7)
2.4. Xác định công suất đoạn nhiệt yêu cầu máy nén lạnh
Công suất động cơ lắp đặt yêu cầu của máy nén lạnh
i c td o
o
dp
i c td
s
dc dp q
. l

K Q

N K N
η η η
=
η η η
= (8)
Trong đó :
Qo, Ns – Năng suất lạnh và công suất đoạn nhiệt, W;
l, qo – Công nén riêng và năng suất lạnh riêng, J/kg;
ηi, ηc, ηtd, - Hiệu suất chỉ thị, hiệu suất cơ và hiệu suất truyền động.
3. Hệ thống thiết bị thí nghiệm và kết quả nghiên cứu
3.1. Hệ thống thiết bị thí nghiệm
Hệ thống gồm một guồng nước đường kính 1200mm, rộng 300mm dùng dẫn
động một máy nén lạnh công suất định mức 12.000 Btu/h (3517 W). Hệ thống lạnh
được sử dụng để làm lạnh nước với khối lượng nước có thể thay đổi nhằm xác định
năng suất lạnh hữu ích của máy và đánh giá khả năng làm lạnh của nó. Môi chất lạnh sử
dụng là R12.
Hệ thống truyền động bằng đai, có tỷ số truyền là 5. Các thiết bị phụ gồm dàn
ngưng, bể nước và dàn lạnh, lọc ẩm và các thiết bị phụ khác. Toàn bộ hệ thống được lắp
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
26
đặt trên một khung đỡ chắc chắn
(hình 1 và hình 2)
3.2. Kết quả tính toán và nghiên
cứu thí nghiệm