MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

ABSORPTIVE RERIGERATOR USING SOLAR ENERGY

HOÀNG DƯƠNG HÙNG

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

TRẦN NGỌC LÂN

Sở Khoa học Công nghệ Quảng Trị

TÓM TẮT

Máy lạnh hấp phụ rắn đã được ứng dụng cho nhiều mục đích làm lạnh khác nhau trong thực tế. Máy lạnh hấp phụ sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) đã và đang được nghiên cứu tại nhiều nước trên thế giới. Việc nghiên cứu thiết kế thực nghiệm một kiểu máy lạnh hấp phụ NLMT trong điều kiện khí hậu Việt Nam đóng vai trò rất quan trọng trong vấn đề tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thực nghiệm mẫu máy lạnh hấp phụ sử dụng NLMT với cặp môi chất là than hoạt tính và methanol.

ABSTRACT

Solid absorption systems have been applied for cooling purposes. Absorption icemakers using solar energy have been investigated many countries in the world. The design and experimental research on a solar absorptive icemaker in Viet Nam climate conditions play an important role in saving energy and protecting environment. This article presents the study, design, and experimental manufacturing of solar absorptive refrigerator. The machine uses activated carbon (AC)-methanol as working pair.

1. Đặt vấn đề

Tìm kiếm nguồn năng lượng tái tạo để bổ sung vào nguồn năng lượng truyền thống đang được các nhà khoa học thực sự quan tâm.Trong tiến trình công nghiệp hoá, máy lạnh dùng máy nén hơi đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật làm lạnh và điều hoà không khí. Tuy nhiên, vấn đề môi trường ô nhiểm do chất làm lạnh CFC và phát thải khí nhà kính CO₂ bắt buộc các nhà khoa khọc phải tìm kiếm chu trình máy lạnh khác ít ô nhiểm hơn. Máy lạnh sử dụng NLMT dùng pin mặt trời để vận hành máy nén hơi đã được sử dụng. Tuy nhiên giá thành còn quá cao do đó không phù hợp với vùng sâu, xa không có điện lưới. Việc nghiên cứu, chế tạo máy lạnh hấp phụ sử dụng trực tiếp nguồn năng lượng mặt trời không gây ô nhiểm môi trường, giảm phát thải CO₂ và không có chất CFC gây phá huỷ tầng ôzôn có giá thành phù hợp là việc làm cần thiết trong giai đoạn hiện nay khi mà giá nhiên liệu truyền thống không ngừng tăng cao. Trong bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thực nghiệm mẫu máy lạnh hấp phụ sử dụng NLMT với cặp than hoạt tính và methanol, thiết bị này có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như; bảo quản thực phẩm, vaccin và làm đá.

2. Hệ thống máy lạnh hấp phụ dùng để sản xuất nước đá

2.1. Mô tả hệ thống

Hệ thống máy lạnh hấp phụ dùng NLMT bao gồm thiết bị hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời, trong đó có chứa than hoạt tính, thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí đối lưu tự nhiên và thiết bị bay hơi thiết kế để có thể làm đá, chứa thực phẩm cần bảo quản (hình 1). Ngoài ra còn có van chặn bình chứa môi chất lỏng và van tiết lưu. Máy lạnh hấp phụ NLMT thường làm việc theo kiểu gián đoạn.

Vào ban ngày ta phải mở van chặn, đóng van tiết lưu. Trong giai đoạn này, dưới tác động của các tia bức xạ mặt trời, tác nhân lạnh sẽ bốc hơi khỏi than hoạt tính và được ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ và chứa tại bình chứa. Vào cuối giai đoạn tích trử tác nhân lạnh, van chặn nên được đóng lại.

Vào ban đêm xảy ra quá trình làm lạnh, khi nhiệt độ của hệ thống giảm, than hoạt tính làm nhiệm vụ hấp phụ môi chất lạnh (methanol), áp suất môi chất trong hệ thống giảm xuống, khi áp suất đạt đến áp suất bay hơi thì mở van tiết lưu. Môi chất lạnh sẽ được tiết lưu vào thiết bị bay hơi, thu nhiệt sản phẩm và bay hơi, hơi môi chất được than hoạt tinh hấp phụ hết. Trong giai đoạn này cần phải chú ý để thiết bị hấp thụ được giải nhiệt dễ dàng vì hấp phụ là quá trình sinh nhiệt

2.2. Mô tả các quá trình làm việc

Quá trình làm việc của hệ thống có thể trình bày trên đồ thị hình 2.

Hình 2. Các quá trình nhiệt của máy lạnh hấp phụ loại gián đoạn trên đồ thị p-T

Quá trình cấp nhiệt:

1-2 Quá trình bộ thu hấp thụ năng lượng mặt trời, than hoạt tính nhả môi chất lạnh (methanol) áp suất và nhiệt độ của môi chất trong hệ thống tăng lên đến giá trị p_k và T_g1

2-3 Quá trình ngưng tụ môi chất lạnh xảy ra, đồng thời bộ thu vẫn tiếp tục nhận bức xạ mặt trời nên môi chất lạnh vẫn tiếp tục thoát ra từ than hoạt tính nên nhiệt độ môi chất tăng đến nhiệt độ T_g2, áp suất hầu như không đổi ở áp suất P_k.

Quá trình giải nhiệt và làm lạnh:

3-4 Quá trình giải nhiệt của bộ thu (sau khi môi chất lạnh đã ngưng tụ hết vào bình chứa) áp suất và nhiệt độ trong hệ thống giảm đến p_o và T_a1.

4-1 Quá trình bay hơi của môi chất lạnh trong thiết bị bay hơi, hơi môi chất được than hoạt tính hấp phụ hết nên áp suất hệ thống hầu như không đổi P_o, nhiệt độ hơi môi chất trước lúc bị hấp phụ giảm dần đến nhiệt độ T_a2.

3. Thiết kế hệ thống máy lạnh hấp phụ sản xuất nước đá công suất 2kg/ngày

Để thiết kế hệ thống máy lạnh sản xuất nước đá công suất 2kg/ngày thì ta tính toán thiết kế các thiết bị chính của hệ thống:

Tính nhiệt thiết bị bay hơi: là tính toán công suất lạnh cần thiết cung cấp cho dàn bay hơi và lượng môi chất cần thiết phải nạp vào hệ thống.

Công suất lạnh của thiết bị bay hơi được xác định bằng công thức:

Q = Q₁ + Q₂, [W]

Trong đó

Q1 - dòng nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che của thiết bị, [W]

Q2 - dòng nhiệt do đông đá và làm lạnh khuôn (nếu hệ thống làm đá), [W]

Vậy năng suất lạnh của hệ thống có thể xác định bằng công thức:

[W]

Trong đó:

k - hệ số tính đến tổn thất trên đường ống và thiết bị hệ thống. Hệ số này đối với hệ thống làm lạnh trực tiếp phụ thuộc vào nhiệt độ bay hơi của môi chất, với t₀ = -15 chọn k = 1,05.

b - hệ số thời gian làm việc. Đối với hệ thống lạnh nhỏ chọn b = 0,7

Nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho dàn bay hơi trong suốt thời gian làm việc của hệ thống:

Q’ = Q₀. t, [J]

Từ đó ta có thể suy ra lượng Methanol cần cung cấp là:

[kg] ; r - nhiệt ẩn hoá hơi của Methanol, [J/kg]

Tính toán với công suất 2kg nước đá/ngày ta tính dược kích thước thiết bị bay hơi như hình 3.

Tính toán thiết bị ngưng tụ

Nhiệt độ ngưng tụ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường làm mát của thiết bị ngưng tụ. Mục đích của hệ thống là không phải tốn thêm nguồn năng lượng ngoài nên chọn thiết bị bay hơi là dàn ngưng giải nhiệt bằng gió tự nhiên. Do đó hiệu nhiệt độ ngưng tụ (t_k giữa môi chất lạnh ngưng tụ và không khí chọn (t_K = t_k - t_mt= 15^oC)

Diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ tích theo công thức: , [m²]

trong đó, Q_k - phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ. với hệ thống này ta lấy Q_k = Q_0, [w]

k - hệ số truyền nhiệt, chọn

k = 30 W/m²K

F - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của dàn ngưng, [m²]

Tính toán với công suất 2kg nước đá/ngày ta tính dược kích thước thiết bị ngưng tụ như hình 4.

Tính toán thiết bị hấp phụ

Theo lí thuyết của Eucken và Poljani người ta có thể tính được đẳng nhiệt hấp phụ của hơi ở nhiệt độ T₂ nếu đã biết đẳng nhiệt hấp phụ của một thành phần hơi bất kỳ ở nhiệt độ T₁. Đường đẳng nhiệt hấp phụ được biểu thị trên đồ thị p-a.

Tính tung độ a:

trong đó: a₁ - tung độ của cấu tử chuẩn, thường chọn là benzen, [kg/kg than]

a₂ - tung độ cấu tử cần tính, kg/kg than.

V₁, V₂ - thể tích mol của cấu tử chuẩn và cấu tử cần tính, [m³/kmol]

Tính hoành độ p

Hoành độ p được tính theo công thức

trong đó, p₁, p₂ - hoành độ của các điểm có áp suất của cấu tử chuẩn và cấu tử cần tính, [mmHg]

p_S-1 - áp suất hơi bão hoà của cấu tử benzen ở nhiệt độ T₁, [mmHg]

ta có p_S-1 = 75mmHg

p_S-2 - áp suất hơi bão hoà của cấu tử cần tính ở nhiệt độ T₂, [mmHg]

lgp = a₀ + a₁.(T^-1 - (7,9151-2,6726.lgT).10^-3 -8,625.10^-7.T), [Pa]

T - nhiệt độ của metanol, 0K.

a₀ = 9,1716 và a₁ = -2,7596.10³

T₁ - nhiệt độ hấp phụ của benzen, K. Chọn T₁ = 20⁰C = 293K.

T₂ - nhiệt độ hấp phụ của metanol, K. Chọn T₂ = 30⁰C = 303K.

Từ tính toán ta vẽ được đường hấp phụ đẳng nhiệt của than hoạt tính đối với Methanol và từ đường hấp phụ đẳng nhiệt này ta cũng tính được lượng than hoạt tính bằng cách tính áp suất bay hơi của Methanol rồi căn cứ vào đồ thị đường hấp phụ để có được hoạt độ tĩnh a của Methanol.

Và lượng than cần thiết để hấp phụ hết môi chất Methanol là:

, [kg]

Với công suất thiết bị là 2kg nước đá trong một ngày, ta tính toán thiết kế được thiết bị hấp thụ như hình 5.

Hình 5. Cấu tạo thiết bị hấp thụ kiểu ống

Hình 6. Hệ thống sản xuất nước đá 2kg/ngày

Hệ thống đã được sử dụng trong điều kiện thực tế, nhiệt độ bay hơi có thể đạt đến t_a2 = –15^oC và có thể sản xuất được nước đá (hình 7.

Hình 7. Kết quả thực nghiệm, sản phẩm đá trong dàn bay hơi.

4. Kết luận

Bằng những cơ sở lý thuyết hấp phụ, lý thuyết NLMT, chúng tôi đã thiết kế chế tạo mẫu máy lạnh phù hợp với điều kiện Việt Nam: Giá thành thấp, các nguyên vật liệu dễ kiếm (than sọ dừa, methanol), dễ chế tạo hàng loạt.

Từ kết quả nghiên cứu trên, chúng ta hoàn toàn có thể ứng dụng năng lượng mặt trời để làm lạnh với nhiều mục đích khác nhau. Thiết bị có thể chế tạo và sử dụng rộng rãi ở điều kiện Việt Nam.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Lê Chí Hiệp, Máy lạnh hấp thụ trong kỹ thuật điều hoà không khí, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2004.

[2] Hoàng Dương Hùng, Nghiên cứu nâng cao hiệu quả của thiết bị thu năng lượng mặt trời để cấp nhiệt và điều hoà không khí, Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, 2002.

[3] Trần Ngọc Lân, Nghiên cứu ứng dụng năng lưọng mặt trời để làm lạnh, Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật, 2006.

[4] Catherine Hildbrand, Philippedind, Michel Pons, Plorion Buchter, A new solar powered adsorption refrigerator with high performance, Switzerland, 2002.

[5] F. Lemmini, A. Errougani, F. Bentayed, Experimentation of an adsorptive solar refrigerator in Rabat, Department of physis Rabat, Maroc, 2002.

[6] Ph. Grenier, J. Jguilleminot, F.Meunier, M.Pons, Solar powered solid adsorption coldstore, Journal of solar energy engineering, Vol 110, 1988.

[7] Peter E.Liley, Ph.D., D.I.C, Physical and Chemical Data, School of Mechenical Engineering Purdue University (section 2), 2002.