Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Số 52A, 2021 MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỂ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRONG Ơ TƠ LÊ VĂN HIÊN, NGUYỄN THỊ KIM LIÊN Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh nguyenthikimlien_nl@iuh.edu.vn Tóm tắt Hoạt động kinh tế tiêu thụ phần lớn nhiên liệu hóa thạch, ngành giao thơng vận tải chiếm 22% lượng nhiên liệu Khí thải phương tiện giao thông, đặc biệt lượng ôtô ngày tăng mạnh Việt Nam làm tăng nhanh ô nhiễm không khí Đây ngun nhân gây nên q trình biến đổi khí hậu ngày trầm trọng Để góp phần tiết kiệm tiêu thụ nhiên liệu động ôtô, khảo sát nguồn nhiệt từ khí thải ơtơ để cung cấp cho máy lạnh hấp phụ liên kết nguồn lạnh với điều hịa khơng khí ơtơ Bài báo giới thiệu q trình Từ khóa Máy lạnh hấp phụ, điều hịa khơng khí ơtơ, tiết kiệm lượng, tận dụng khí thải, nhiệt thải ADSORPTION AIR CONDITIONER USING WASTE HEAT OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE FOR FOR CAR AIR CONDITIONING Abstract In order to save the fuel consumption of car engines and reduce environmental pollution, the heat source from the exhaust gas of the car is utilized to supply heat the adsorption cooling system for air conditioning purpose in the car cabin This article is carried out in a two-part study The first part is that survey waste heat from car engines which could supply heat for adsorption air conditioner with suitable working pair In second part, the thermodynamic processes of adsorption cooling cycle for car air conditioning and simple calculation are discussed in this article Keywords The adsorption air conditioner, air conditioner of cars, saving energy, make use of waste gas and waste heat GIỚI THIỆU Theo “Ơ tơ, xe máy gây nhiễm khơng khí nghiêm trọng” cổng thông tin điện tử giao thơng vận tải (mt.gov.vn) nói nhiễm mơi trường khí thải tơ [1] giao thơng vận tải hoạt động chủ yếu phát thải khí nhà kính (tác nhân gây nên nóng lên tồn cầu), lớn thứ sau ngành lượng nơng nghiệp, chiếm 18,38% tổng lượng khí nhà kính thải vào bầu khí hàng năm Trong giai đoạn 2011- 2016, hoạt động giao thông vận tải Việt Nam tiêu thụ lượng lớn lượng, chiếm 30% tổng nhu cầu lượng quốc gia, 60% tổng nhiên liệu tiêu thụ tăng 10% năm Với xu hướng số lượng phương tiện giao thông gia tăng mạnh mẽ qua năm, nguồn đóng góp đáng kể gây nhiễm khơng khí, dẫn đến biến đổi khí hậu ngày trầm trọng Cơng việc nghiên cứu tận dụng nhiệt thải để tiết kiệm lượng nhằm góp phần giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính đẩy mạnh Hệ thống điều hịa xe ô tô cần thiết nhằm bảo đảm tiện nghi thoải mái cho người ngồi xe hệ thống điều hòa tiêu thụ lượng đáng kể Nghiên cứu Barrault cộng [2] rằng, lượng tiêu tốn cho điều hịa khơng khí chiếm từ 2,3 đến 11,2 % tổng lượng tiêu thụ Gần 70% lượng sơ cấp từ nhiên liệu giải phóng động đốt phát tán qua nước làm mát động khí thải dạng nhiệt thải [2], [3] Do vậy, việc hồn thiện q trình chuyển hóa nhiệt đốt cháy nhiên liệu động thành điện năng, việc sử dụng nhiệt thải cấp cho máy lạnh hấp phụ để điều hịa khơng khí quan tâm nghiên cứu Bài viết mô tả nguyên lý hoạt động máy lạnh hấp phụ đề xuất lựa chọn kết cấu phục vụ cho điều hịa khơng khí tơ CƠNG NGHỆ HIỆN TẠI Trên sở nhiệt động học kỹ thuật, q trình chuyển hóa nhiệt khơng thành cơng học mà © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỂ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRONG Ơ TƠ 125 cịn thực q trình làm lạnh điều hịa khơng khí biểu diễn sơ đồ hình Hình 1: Các phương pháp biến hóa lượng (Ghi chú: Các có dấu * dạng sơ khai, thử nghiệm) [4] Trên hình 1, phía bên phải thể q trình biến đổi nhiệt thành cơng học, cịn phía bên trái thiết bị chuyển hóa nhiệt để làm lạnh điều hóa khơng khí Đối với thiết bị trao đổi nhiệt chuyển hóa nhiệt năng, có hệ tuần hồn hở tuần hồn kín Ở đây, tìm hiểu theo hướng dùng nhiệt để vận hành q trình làm lạnh hệ thống tuần hồn kín nhờ chất hấp thụ thể lỏng chất hấp phụ thể rắn 2.1 Quá trình làm lạnh máy lạnh hấp thụ Phương pháp làm lạnh điều hịa khơng khí nhiệt so với làm lạnh thông thường sử dụng máy nén chạy động điện có vài khác biệt Một bên sử dụng máy nén để làm động lực cho môi chất lạnh lưu động tuần hồn Trong q trình lưu động, mơi chất lạnh thay đổi trạng thái hố áp suất định, nhiệt độ hóa tương ứng với áp suất hóa Có thể so sánh khác hai loại máy lạnh qua mơ tả hình Ở đây, bên trái máy lạnh dùng điện để vận hành máy lạnh máy nén thông thường bên phải máy lạnh hấp thụ Như vậy, máy lạnh hấp thụ chủ yếu dùng nhiệt để vận hành q trình làm lạnh, có vai trị máy nén trình làm lạnh Hình 2: Sơ đồ diễn tả khác phương pháp làm lạnh [4] Công nghệ làm lạnh sử dụng nhiệt tái tạo làm việc nguyên lý máy lạnh hấp thụ (đối với chất hấp thụ lỏng) hấp phụ (đối với chất hấp phụ rắn) Sơ đồ trình lưu động máy làm lạnh hấp thụ cấp thể hình © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 126 MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỂ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRONG Ơ TƠ Hình 3: Sơ đồ máy lạnh hấp thụ cấp [4] Trong q trình tuần hồn dung dịch hấp thụ, nồng độ dung dịch thay đổi với hai dải nồng độ: dung dịch loãng tương ứng với nồng độ môi chất lạnh thấp dung dịch đặc tương ứng với nồng độ môi chất lạnh cao Như vậy, tồn hai cực điểm điểm có nồng độ cao thấp Hiện có cặp mơi chất sử dụng rộng rãi Cặp thứ LiBr/H2O, LiBr dung dịch hấp thụ, H2O môi chất lạnh Khi sử dụng cặp LiBr/H2O, độ lạnh sâu đạt tối đa gần 0oC Cặp thứ NH3/ H2O, NH3 mơi chất lạnh, H2O dung dịch hấp thụ Với NH3 mơi chất lạnh nhiệt độ làm lạnh đạt tới nhiệt độ âm (– 60oC) Hình sơ đồ khối máy lạnh hấp thụ Hình 4: Sơ đồ khối máy lạnh hấp thụ [5] Như vậy, máy lạnh hấp thụ có thành phần sau: buồng hóa hơi; bình hấp thụ; bơm dung dịch; bình sinh hơi; van tiết lưu dung dịch môi chất lạnh cuối bình ngưng tụ © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỂ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRONG Ơ TƠ 127 Khi nhiệt cấp cho bình sinh hơi, mơi chất lạnh bay từ dung dịch qua bình ngưng tụ Tại đó, làm mát ngưng tụ thành lỏng, tiếp tục qua van tiết lưu, hóa buồng lạnh Tiếp theo, mơi chất lạnh dung dịch lỗng bình hấp thụ, hấp thụ vào dẫn đến nồng độ môi chất lạnh bình sinh giảm dần bình hấp thụ tăng dần Dung dịch lỗng bình sinh qua van tiết lưu trở bình hấp thụ dung dịch đặc bình hấp thụ bơm dung dịch đưa vào bình sinh Sự lưu động môi chất lạnh chênh lệch áp suất bình sinh buồng hóa Và từ buồng hóa tới bình hấp thụ áp lực cặp mơi chất Duy có bơm dung dịch phần động sử dụng nguồn điện, phận lại nguồn nhiệt cung cấp nên tĩnh tại, không gây tiếng ồn hoạt động máy nén 2.2 Quá trình làm lạnh máy lạnh hấp phụ Một máy lạnh hấp phụ đơn giản bao gồm bình hóa hơi, bình hấp phụ bình ngưng tụ mơ tả hình Hình 5: Hoạt động máy lạnh hấp phụ [6] Quá trình hấp thụ hay hấp phụ thực theo nguyên lý nhiệt động học sau: Nhiệt độ áp suất chất hấp phụ chất hấp phụ thông số trạng thái phụ thuộc, nghĩa với giá trị nhiệt độ tương ứng với áp suất ngược lại Có thể coi phận hấp phụ, ba phận máy lạnh hấp phụ “máy nén nhiệt” Qua trình cấp/thải nhiệt cho phận hấp phụ trình trao đổi lượng cần thiết để môi chất lạnh lưu động Như máy lạnh hấp phụ không sử dụng bơm dung dịch máy lạnh hấp thụ Nguyên lý làm lạnh máy lạnh hấp phụ tương tự máy lạnh hấp thụ, với chất hấp phụ dạng dung dịch mà chất rắn, xốp có vơ số lỗ hổng nhỏ li ti nên diện tích bề mặt tiếp xúc với mơi chất lạnh lớn Phần bên trái hình 5, mơ tả q trình hấp phụ Q trình tiến hành sau: Sau mơi chất lạnh hóa hơi, làm lạnh phận hóa van A mở, chất hấp phụ hút môi chất lạnh (nước) vào Nhiệt sinh q trình hấp phụ thải ngồi mơi trường thơng qua trao đổi nhiệt Trong trình hấp phụ van B đóng, van A mở (phía trái hình 5) Khi chất hấp phụ no, nghĩa môi chất lạnh chiếm hết lỗ hổng chất hấp phụ cần phải đưa ngồi chất hấp phụ đó, q trình gọi giải hấp phụ hay gọi tái sinh chất hấp phụ Trên hình 5, phía bên phải mơ tả q trình giải hấp phụ Khi đó, van A đóng đồng thời nhiệt lượng từ bên ngồi cấp vào làm cho mơi chất lạnh ra, qua van B ngưng tụ thành lỏng bình ngưng Mơi chất lạnh bình ngưng với áp suất cao qua van tiết lưu giảm áp hóa hơi, kết thúc chu kỳ làm làm lạnh Chu kỳ lặp lại liên tục Như q trình hấp phụ giải hấp phụ tiến hành luân phiên máy lạnh hấp phụ Để máy lạnh hấp phụ hoạt động liên tục, cần phải kết hợp q trình hấp phụ giải hấp phụ ln thực đồng thời Hình sơ đồ máy lạnh hấp phụ hoạt động liên tục Hấp phụ giải hấp phụ © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 128 MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỂ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRONG Ơ TƠ tiến hành buồng riêng biệt, buồng làm nhiệm vụ hấp phụ buồng tiến hành giải hấp phụ đồng thời Đó là, môi chất lạnh hút vào đầy chất hấp phụ nhiệt cấp vào nhiệt độ cao đưa vào buồng giải hấp phụ đẩy môi chất lạnh khỏi chất hấp phụ ngưng tụ bình ngưng để qua van tiết lưu hóa hơi, làm lạnh Các trình luân phiên liên tục Hình 6: Sơ đồ máy lạnh hấp phụ liên tục [7] Như vậy, chu trình làm việc máy lạnh hấp phụ liên tục là: - Nhiệt cấp cho chất hấp phụ, đẩy mơi chất lạnh vào bình ngưng tụ - Hơi môi chất lạnh ngưng tụ, nhiệt ngưng tụ thải qua trao đổi nhiệt - Mơi chất lạnh từ bình ngưng tụ qua tiết lưu vào bình hóa hơi, trở thành dạng áp suất thấp, tương ứng nhiệt độ thấp - Hơi mơi chất lạnh bình hóa lại hút vào chất hấp phụ, nhiệt hấp phụ sinh thải qua trao đổi nhiệt NHIỆT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Trên sở phân tích nguồn lượng cung cấp cho động đốt trong, đánh giá nhiệt thải động với tải trọng khác Nhiên liệu cấp cho động biểu diễn thơng qua hiệu suất hiệu dụng Hình biểu diễn quan hệ hiệu suất hiệu dụng ηm vận tốc trung bình piston vk cho động Diezel Otto Hình 7: Quan hệ hiệu suất động Diezel Otto với vận tốc trung bình piston [8] Quan hệ vận tốc trung bình vk với hành trình piston Lk biểu diễn theo phương trình sau: (1) vk 2.n.Lk Phổ hiệu suất hiệu dụng ηm biến đổi theo tải trọng ơtơ Xe đầy tải có hiệu suất lớn xe non tải Quan hệ hiệu suất với công suất học động Pm biểu diễn sau: © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỂ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRONG Ơ TƠ m Pm mnl H t 129 (2) Trong mnl lưu lượng nhiên liệu cấp cho động cơ, Ht nhiệt trị thấp nhiên liệu Nghiên cứu Pischinger cộng [8] thiết lâp biểu đồ hình 7, biểu thị quan hệ hiệu suất động với vận tốc chuyển động piston Từ biểu đồ, nhận thấy rằng, động Diezel có hiệu suất lớn động Otto Ở vận tốc piston tối ưu, hiệu suất động Diezel nằm khoảng từ 34% đến 38%, động Otto khoảng 25% đến 30% Để xác định nhiệt thải động ôtô, cân lượng động hoạt động ổn định Gọi enthalpy nhiên liệu đưa vào I nl , khơng khí I kk , lượng sinh động công học Pm, enthalpy khói thải I kt dạng lượng khác ma sát piston chuyển động, nhiệt sinh đốt cháy nhiên liệu, nhiệt làm mát cho động Qt Phương trình cân lượng là: I nl I kk Pm I kt Qt (3) Ở cơng học Pm áp suất sản phẩm cháy xy lanh pkt Như pkt đại lượng đặc trưng cho công học Pm Đối với động kỳ có dung tích xy lanh Vxl, số vòng quay động n cơng học Pm xác định theo cơng thức sau: Pm Vxl pkt n (4) Kết nghiên cứu Pischinger [8] nhiệt thải loại động đốt xác lập biểu đồ hình Hình 8: Biểu đồ biểu diễn quan hệ dòng nhiệt nhiên liệu cấp cho động Diezel (a), động Otto (b) phụ thuộc vào áp suất khí xy lanh p kt với số vòng quay n động Otto đầy tải (c) [8] Theo biểu đồ hình nhiệt lượng thải loại động là: - Nhiệt lượng từ khói thải I kt – I kk , - Nhiệt lượng thoát từ trình làm mát động Qt Nhiệt lượng thải chiếm tỷ lệ lớn theo biểu đồ biểu diễn quan hệ dòng nhiệt động đốt trong, cụ thể sau: © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 130 MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỂ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRONG Ơ TÔ Động Động Diezel (a) Động Otto (b) Động Otto đầy tải (c) Bảng 1: Tỷ lệ nhiệt thải theo biểu đồ hình Nhiệt lượng từ khói thải Nhiệt lượng từ trình I kt – I kk Khoảng 30% Khoảng 50% Khoảng 50% làm mát động Qt Khoảng 35% Khoảng 25% Khoảng 20% Để tận dụng nguồn nhiệt thải cho máy lạnh hấp phụ lắp đặt thu nhiệt thải, thiết bị trao đổi nhiệt vị trí thích hợp 3.1 Nguồn nhiệt từ khí thải Các loại ơtơ phải bảo đảm tiêu chuẩn khí thải Euro Theo đó, động Otto phải có lọc Katalysator ngã, cịn với động Diezel Katalysator phải có chất xúc tác oxy hóa lọc muội (DPF) Nhiệt độ khí thải sau lọc muội lớn 500oC [8] Bộ thu nhiệt thải việc cung cấp nhiệt cho máy lạnh hấp phụ mà làm giảm xạ hạn chế nhiệt thải mơi trường Sơ đồ bố trí thu nhiệt thải từ khí thải động ơtơ biểu diễn hình Hình 9: Sơ đồ bố trí thu nhiệt đường khí thải động Otto Diezel Lukas Enke [9] tiến hành đo nhiệt độ khí thải động Otto, nhiệt độ sau van thải có ký hiệu tkt sau Katalysator với ký hiệu tkat Nhiệt độ điểm đo thay đổi theo vận tốc chuyển động xe [10] Quan hệ biểu diễn hình 10 Hình 10: Quan hệ vận tốc xe có động Otto với nhiệt độ khói thải sau van thải t kt nhiệt độ khói thải sau katalytor © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỂ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRONG Ơ TƠ 131 Trên hình 11, biểu đồ biểu thị quan hệ vận tốc nhiệt độ khói thải cho thấy,tương ứng với vận tốc từ 30 - 160 km/h, nhiệt độ khí thải tkat có giá trị phạm vi từ 500oC đến 820oC Do đó, nhiệt độ trung bình khí thải tkat khoảng 624oC Như vậy, nhiệt độ khí thải tkat vị trí đặt thu nhiệt có nguồn nhiệt tiềm cung cấp lượng nhiệt cần thiết cho hoạt động máy lạnh hấp phụ 3.2 Nhiệt thải từ làm mát cho động Các động đốt phải có hệ thống làm mát hồn chỉnh Đó thiết thiết bị trao đổi nhiệt có nhiệm vụ thu nhận nhiệt từ xylanh động thu nhiệt hộp bánh qua lưu động tuần hoàn chất làm mát (thường nước) để tải nhiệt mơi trường Sơ đồ bố trí thiết bị trao đổi nhiệt để làm mát động biểu diễn hình 11 Hình 11: Sơ đồ thiết bị làm mát động Trên sơ đồ có vịng tuần hồn nước, vịng làm mát máy vòng làm mát hộp bánh Khi động khởi động, vịng tuần hồn làm mát bánh mang nhiệt động đến hâm nóng hộp bánh đến nhiệt độ cần thiết cho dầu bôi trơn hoạt động có hiệu Khi nhiệt độ hâm nóng đạt đến giá trị cần thiết thermostat điều khiển để nước làm mát động (theo đường gạch ngắt quảng) qua két nước thải nhiệt ngồi Thermostat cịn đảm nhiệm điều khiển lưu lượng bơm để trì nước làm mát khoảng 80oC đến 100oC Trên sơ đồ cịn có đường chấm chấm vịng tuần hồn khơng khí, tích hợp cho động có tỷ số nén lớn nhằm nâng cao hiệu làm mát động Như vậy, nhiệt độ làm mát động thải môi trường thấp nên không tận dụng cho máy lạnh hấp phụ 3.3 Đề xuất phương án lắp đặt máy lạnh hấp phụ cho ô tô Trong máy lạnh hấp phụ, chu trình hoạt động cặp môi chất đặc trưng thiết bị làm lạnh Bảng nêu số thông số đặc tính vài mơi chất lạnh thường dùng có nhiệt độ hóa 5oC Để bảo đảm an tồn cho hành khách, mơi chất phải có nhiệt hóa lớn khơng ăn mịn kim loại nước mơi chất phù hợp Chất hấp phụ phù hợp với nước LithiumBromit (LiBr) Nhưng chất gây ăn mòn cho thiết bị trao đổi nhiệt Nghiên cứu Chwarz Gentner rằng, chất hấp phụ rắn Zeolith Silikagel thích hợp với môi chất lạnh nước [11], [12] Bảng 2: Thông số nhiệt vật lý vài mô chất lạnh nhiệt độ hóa 50C Mơi chất p0 [bar] ρ0 [kg/m3] Δi0 [kJ/kg] Đặc tính Ammoniak 5.157 4.115 1610 Độc, cháy Methanol 0.055 0.078 1043 Độc, dễ cháy Ethanol 0.023 0.046 1151 Dễ cháy Nước 0.009 0.007 2510 Như phần giới thiệu chu trình hoạt động máy lạnh hấp phụ, để bảo đảm máy lạnh hoạt động liên tục lựa chọn máy lạnh buồng biểu diễn hình 12 Theo sơ đồ máy lanh hấp phụ (a), máy lạnh hấp phụ buồng có buồng bên phải buồng hấp phụ, buồng bên trái buồng giải hấp phụ có nguyên lý hoạt động sau: * Xét phía mơi chất lạnh chất hấp phụ: © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 132 MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỂ ĐIỀU HÒA KHƠNG KHÍ TRONG Ơ TƠ Sau mơi chất lạnh (nước) hóa đẳng áp, mơi chất áp suất thấp nhiệt độ thấp đến buồng hấp phụ (buồng bên phải hình (a)), van mở, van đóng, chất hấp phụ hấp phụ đẳng tích Quá trình hấp phụ kết thúc chất hấp phụ trở thành chất hấp phụ bão hòa (no) áp suất thấp điểm Nhiệt sinh trình hấp phụ buồng hấp phụ nhả nhiệt cho mơi trường giải nhiệt khơng khí Sau trình hấp phụ, van buồng hấp phụ đóng chất hấp phụ trạng thái hâm nóng áp suất ngưng tụ điểm Trong q trình hâm nóng, nhiệt độ áp suất chất hấp phụ bão hịa tăng lên, mơi chất (nước) chất hấp phụ bay khỏi chất hấp phụ Như vậy, kết thúc trình 1-2 đến trình giải hấp phụ Khi chất hấp phụ no buồng giải hấp phụ (buồng bên trái hình (a)) cấp nhiệt từ khí thải (đường màu đỏ) thực trình nhận nhiệt đẳng áp giải hấp phụ làm cho mơi chất lạnh khỏi chất hấp phụ áp suất cao Tại thời điểm này, van đóng, van mở, mơi chất lạnh vào phận ngưng tụ Tại dàn ngưng, môi chất nhả nhiệt đẳng áp cho môi trường giải nhiệt ngưng tụ thành lỏng bão hòa áp suất cao Q trình ngưng tụ kết thúc điểm Mơi chất lạnh sau ngưng tụ theo đường màu xanh qua tiết lưu tiết lưu đẳng entanpy thành môi chất lạnh áp suất thấp nhiệt độ thấp điểm Sau qua buồng hóa hơi, môi chất nhận nhiệt đẳng áp từ môi trường cần làm lạnh hóa thành mơi chất lạnh áp suất thấp nhiệt độ thấp Khép kín chu trình chu trình tiếp diễn.à chu trình tiếp diễn Cịn phía chất hấp phụ, sau mơi chất khỏi chất hấp phụ, chất hấp phụ thành chưa bão hòa (chưa no) áp suất cao điểm khơng khí mơi trường giải nhiệt làm giảm nhiệt độ áp suất thành chất hấp phụ chưa bão hòa (chưa no) áp suất thấp điểm Sau đó, chất hấp phụ tiếp tục hạ nhiệt độ trình hấp phụ đẳng áp môi chất lạnh đạt trạng thái bão hịa (no) nhiệt độ thấp Và chu trình tiếp diễn Hình 12: Sơ đồ máy lạnh hấp phụ buồng (a) (b) Chu trình hoạt động máy lạnh hấp phụ hai buồng hấp phụ giải hấp phụ làm việc luân phiên – Hấp phụ (Đường màu vàng), – Giải hấp phụ (Đường màu đỏ) * Xét phía khí thải: (đường màu đỏ) © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỂ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRONG Ơ TƠ 133 Khí thải thu nhiệt qua van điều chỉnh đến buồng giải hấp phụ nhả nhiệt cho chất hấp phụ làm cho mơi chất khỏi chất hấp phụ Sau nhả nhiệt, khí thải qua van điều chỉnh quạt hút thu nhiệt tiếp tục nhận nhiệt Khép kín chu trình chu trình tiếp diễn * Xét phía khơng khí giải nhiệt cho trình hấp phụ buồng ngưng tụ: (đường màu vàng) Quá trình hấp phụ tỏa nhiệt Nhiệt lượng hấp phụ sinh khơng khí qua quạt tải ngồi Sau đó, khơng khí lại qua van điều chỉnh đến buồng ngưng tụ Tại đây, khơng khí nhận nhiệt làm mát mơi chất quay phận làm mát, nhả nhiệt mơi trường xung quanh Và q trình tiếp diễn Sơ đồ máy lanh hấp phụ (b), máy lạnh hấp phụ buồng có nguyên lý hoạt động ngược lại, buồng bên phải buồng giải hấp phụ, buồng bên trái buồng hấp phụ Theo nghiên cứu Amir Sharafifian, Majid Bahrami [13], Li Zhi Zhang Ling Wang [3], biểu diễn chu trình lý tưởng máy lạnh hấp phụ biểu đồ p-T theo đường đẳng tích đẳng áp, có nhiệt độ áp suất sau: Hình 13: Chu trình lý tưởng máy lạnh hấp phụ biểu đồ p-T theo đường đẳng tích đẳng áp [13],[3] Trong đó: Trạng thái điểm đặc trưng chu trình máy lạnh hấp phụ: + Điểm 1: Chất hấp phụ trạng thái bão hòa (no), nước lấp đầy lỗ hổng chất hấp phụ + Điểm 2: Hơi nước thoát khỏi chất hấp phụ áp suất cao, nhiệt độ cao; + Điểm 3: Môi chất lạnh (nước) sau ngưng tụ thể lỏng áp suất cao nhiệt độ cao + Điểm 4: Môi chất lạnh (nước) thể lỏng qua tiết lưu vào buồng hóa áp suất thấp; + Điểm 5: Chất hấp phụ không no áp suất cao, nhiệt độ cao; + Điểm 6: Chất hấp phụ không no áp suất thấp nhiệt độ thấp Các trình chu trình là: - Quá trình - 2: Tại điểm 1, chất hấp phụ môi chất lạnh (nước) lấp đầy lỗ hổng chất hấp phụ, hay nói cách khác chất hấp phụ bão hòa (no), nhận nhiệt Qih đẳng tích làm tăng nhiệt độ áp suất mơi chất - Quá trình - 3: Quá trình ngưng tụ đẳng áp, môi chất lạnh chuyển pha sang pha lỏng áp suất cao - Quá trình - 4: Quá trình tiết lưu đẳng entanpy, tiết lưu môi chất lạnh thể lỏng đưa vào buồng lạnh Quá trình tương ứng với đường cong biểu diễn trạng thái bão hòa nước Trên đường này, điểm ứng với trạng thái lỏng bão hòa, điểm bão hịa ẩm © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 134 MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỂ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRONG Ơ TƠ - Q trình - 1: Q trình hóa đẳng áp, môi chất lạnh chuyển sang pha áp suất thấp, làm lạnh buồng lạnh - Quá trình - 5: Quá trình nhận nhiệt đẳng áp để giải hấp phụ, tái sinh chất hấp phụ - Quá trình - 6: Quá trình nhả nhiệt đẳng tích làm mát chất hấp phụ, bước đầu chuẩn bị cho trình hấp phụ máy lạnh - Quá trình - 1: Quá trình hấp phụ đẳng áp, chất hấp phụ hấp phụ môi chất lạnh đạt trạng thái bão hòa (no), nhiệt hấp phụ Q tải ngồi Thơng số điểm đặc trưng nhiệt lượng chu trình máy lạnh hấp phụ: + T1 : Nhiệt độ chất hấp phụ bão hòa (no) buồng hấp phụ áp suất thấp, oC + T2 : Nhiệt độ chất hấp phụ bão hòa (no) buồng hấp phụ áp suất cao, oC + T3 : Nhiệt độ ngưng tụ buồng ngưng tụ, oC + T4 : Nhiệt độ bay buồng bay hơi, oC + T5 : Nhiệt độ chất hấp phụ buồng giải hấp phụ, oC + Qevap : Nhiệt lượng môi chất lạnh nhận thiết bị bay hơi, oC + Qcond : Nhiệt lượng môi chất lạnh thải thiết bị ngưng tụ, oC + Qih (isosteric heating) : Nhiệt lượng nhận buồng hấp phụ trình cấp nhiệt đẳng tích để bắt đầu q trình giải hấp phụ, kJ + Qibd (Isosbaric desorption heat) : Nhiệt lượng nhận buồng hấp phụ trình cấp nhiệt đẳng áp để giải hấp phụ, kJ + Qheat (Heating) : Nhiệt lượng cấp từ khí thải xe Otto buồng giải hấp phụ, kJ Qheat = Qih + Qibd (5) + Qic (isosteric cooling) : Nhiệt lượng thải buồng giải hấp phụ trình tải nhiệt đẳng tích để bắt đầu q trình hấp phụ, kJ + Qiba (isosbaric adsorption) : Nhiệt lượng thải buồng giải hấp phụ trình tải nhiệt đẳng áp để hấp phụ, kJ + Qcool (Cooling heat) : Nhiệt lượng tải buồng hấp phụ, kJ Qcool = Qic + Qiba (6) Lựa chọn phương thức tính tốn Qua mơ tả đây, nhận thấy rằng, nhiều nhân tố ảnh hưởng đến hoạt động máy lạnh hấp phụ sử dụng nhiệt thải động tơ là: - Vận tốc ô tô thay đổi, kéo theo thay đổi tải trọng động làm thay đổi lượng nhiệt cấp cho máy lạnh - Hệ số trao đổi nhiệt môi chất lạnh chất hấp phụ thay đổi theo tỷ lệ khối lượng môi chất chất hấp phụ khối lượng chất hấp phụ Tỷ lệ thay đổi liên tục trình háp phụ giải hấp phụ làm cho lượng nhiệt cấp cho hoạt động máy lạnh khơng ổn định - Sự đóng mở van điều khiển buồng gây nên tổn thất áp suất, ảnh hưởng đến hoạt động máy lạnh Thêm vào đó, thời gian đóng mở van làm thay đổi thời gian hoạt đông chu kỳ hấp phụ giải hấp phụ, dẫn đến trình truyền nhiệt truyền khối máy lạnh không ổn định Q trình tính tốn cho máy lạnh hấp phụ trường hợp cần phải đưa nhiều giả thiết đơn giản hóa nhân tố ảnh hưởng đến hoạt động máy Một vài tác Andreas Gassel, [7], Syed Muztuza Ali, Anutosh Chakraborty [14] sử dụng chương trình TRNSYS, [15] B Shi, A Elsayed [23] sử dụng CFD để tính kết sai lệch so với đo đạc thực tế Trong khuôn khổ này, chúng tơi trình bày tính tốn định hướng dựa chu trình lý tưởng Amir Sharafifian, Majid Bahrami [13], Li Zhi Zhang Ling Wang [3] thể hình 13 Để đánh giá hiệu chu trình hấp phụ, hệ số làm lạnh COP tính theo cơng thức sau: Qevap (7) COP , Qheat Trong trình hấp phụ, nhiệt lượng nhận được tính tổng nhiệt lượng nhận buồng hấp phụ q trình cấp nhiệt đẳng tích để bắt đầu trình giải hấp phụ nhiệt lượng nhận buồng hấp phụ trình cấp nhiệt đẳng áp để giải hấp phụ theo công thức sau [15] : © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỂ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRONG Ơ TƠ dT dw mz qst dt dt Qheat (mz (c pz c p ,liq wmax ) mb cb )(T5 T1 ) mz qst k m ( weq w), Qheat (mz (c pz c p ,liq wmax ) mb cb ) 135 (8)(9) Trong đó: mz khối lượng chất hấp phu, kg cpz nhiệt dung riêng đẳng áp chất hấp phụ Zeolite, kJ/(kg.K), cp,liq nhiệt dung riêng đẳng áp nước, kJ/(kg.K) wmax lượng nước hấp phụ lớn kg chất hấp phụ, (kg/kg chất hấp phụ khô) mb khối lượng buồng hấp phụ, kg cb nhiệt dung riêng buồng hấp phụ, kJ/(kg.K) weq lượng nước hấp phụ kg chất hấp phụ bão hòa, kg/kg chất hấp phụ khô w lượng nước hấp phụ kg chất hấp phụ, kg/kg chất hấp phụ khô qst nhiệt cấp q trình đẳng tích, kJ/kg km hệ số truyền khối Theo nghiên cứu Amir Sharafian, Majid Bahrami [13] cho thấy nhiệt dung riêng đẳng áp chất hấp phụ Zeolite cpz 0,836 kJ/(kg.K) Theo nghiên cứu Li Zhi Zhang Ling Wang [3], thông số sử dụng sau: Ký hiệu T1 T3 T4 Bảng 3: Thông số sử dụng để tính tốn [3] Giá trị 80 45 10 Đơn vị o C o C o C o T5 300 C Qevap 4911.7 kJ mz 17 kg mb 7.1 kg cb 0.47 kJ/(kg.K) Như muốn tính nhiệt lượng nhận trình hấp phụ, cần phải tính thơng số là: wmax, qst, km, wep, w Theo công thức [3], weq lượng nước hấp phụ kg chất hấp phụ bão hịa tính sau: (10) ln( pz ) a(weq ) b(weq ) / Tz , a(weq ) ao a1weq a2 weq2 a3 weq , (11) b(weq ) bo b1weq b2 w b3 w , (12) eq Trong đó: eq Tz nhiệt độ chất hấp phụ bão hòa, Tz = T1 = 353k Pz áp suất tương ứng nhiệt độ TZ, mbar Do q trình 4-1 q trình hóa đẳng áp, môi chất lạnh chuyển sang pha áp suất thấp, làm lạnh buồng lạnh nên: pz = ps = p4 Do đó, tra áp suât pZ áp suất sơi tương ứng với nhiệt độ T4 ,K Áp suất bão hòa chất hấp phụ tính cơng thức: (13) ln( Ps ) as bsT , Với: as, bs số, as = 20.5896 bs = -5089.26 [3]; T4 = 283K ao, a1, a2, a3, bo, b1, b2, b3 số có giá trị sau: [13] ao =14.8979, a1 = 95.408, a2 = -636.66, a3 = 1848.8 bo = -7698.85, b1 = 21498.1, b2 = -184598.0, b3 = 512605.0 Từ (10),(11),(12), thông số trên, giải phương trình bậc 3, tìm w eq = 0.2, cịn wmax tương tự cách tính weq tương ứng điểm áp suất cao p2 = 0,095 bar nên wmax = 0.23 © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 136 MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỂ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRONG Ơ TƠ Từ weq, b(weq) R số khí lý tưởng với R = MZ / Ru = 8.314/(0.018*1000) = 0.462 kJ/(kg.K)[13], nhiệt cấp q trình đẳng tích có cơng thức: (14) qst Rb(weq ) qst R * (bo b1weq b2 weq2 b3 weq ) (15) Và lại km hệ số truyền khối tính theo cơng thức [3] sau đây: 15D (16) km s Rp Với: Ds sức căng bề mặt tính sau: Ds Ds exp( Ea ) (17) RTz Từ cơng thức (16) (17) có cơng thức đơn giản sau: k (18) km k1 exp( ) Tz 15Ds Trong đó: (19) k1 R p2 E (20) k2 a R Theo bảng số [13], chất hấp phụ Zeolite13X-water, được: k1 = 0.04004 (1/s) k2 = 905.8 (K) Từ đó, tìm km, từ km tìm lượng nước hấp phụ kg chất hấp phụ: (22) w weq [1 exp( kmt )] Như nhiệt lượng nhận trình hấp phụ tính sau : (23) Qheat (mz (c pz c p,liq wmax ) mb cb )(T5 T1 ) mz qst km (weq w) Từ cơng thức [7]-[23], tìm hệ số làm lạnh chu trình hấp phụ COP có giá trị 0.41 [3] KẾT LUẬN Nhằm mục đích tận dụng nhiệt thải động ôtô, khảo sát nhiệt lượng thải từ động ôtô để cung cấp cho máy lạnh hấp phụ hoạt động Bài viết phân tích, lựa chọn phương pháp làm lạnh, cặp môi chất phù hợp với hoạt động xe ơtơ tính tốn định hướng theo chu trình Tận dụng nhiệt thải biện pháp tiết kiệm nhiên liệu, góp phần làm giảm lượng khí CO2 thải mơi trường, làm chậm q trình biến đổi khí hậu Vấn đề cần nghiên cứu thêm kết cấu thu nhiệt từ khí thải cách xếp chất hấp phụ thiết bị để đưa vào ứng dụng thực tế Bên cạnh đó, hướng phát triển phần nghiên cứu theo hướng thực nghiệm để đưa thơng số xác nhằm tính tốn cơng suất thiết bị máy lạnh hấp phụ, tác động máy lạnh hấp phụ đến môi trường chi phí đầu tư TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cổng thơng tin điện tử mơi trường: http://mt.gov.vn, Ơ tơ, xe máy gây nhiễm khơng khí nghiêm trọng, 07/06/2011 [2] De Boer R, Smeding SF, Mola S, Silicagel-water adsorption cooling prototype system for mobile air conditioning Heat Powered Cycles Conf., Berlin, Germany, 2009 & erde M, Corberan JM, de Boer R, Smeding S Modelling of a waste heat driven silica gel/water adsorption cooling system comparison with experimental results Int Sorption Heat Pump, Padua, Italy: 2011 [3] Li Zhi Zhang Ling Wang, Performance estimation of an adsorption cooling system for automobile waste heat recovery, Research Institute of Internal Combustion Engine, Dalian University of Technology Dalian, China, 1997 [4] Hans-Martin Henning u.a Kuehlen und Klimatisieren mit Waerme Hrsg von Fraunhofer IRB Verlag Karlsruhe, 2016 © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỂ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRONG Ơ TƠ 137 [5] Sybille Dallapiccola, Abwärmenutzung zur Kälteerzeugung mittels Absorptionskälteanlagen, Uni Dornbirn, Januar 2017 [6] Siegfried Kreussler and Detlef Bolz, Experiments on solar adsorption refrigeration using zeolite and water, Laboratory for Solar Energy, University of Applied Sciences Luebeck, Germany [7] Andreas Gassel, Die Adsorptionskältemaschine Betriebserfahrungen, thermodynamische Modell und TRNSYSSimulation, Institut für Thermodyn und Technische Gebäudeausrüstung, TU Dresden [8] Pischinger, R.; Klell, M ; Sams, T ; List, H (Hrsg.), Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine Springer, 2009 [9] Lukas Enke, Analyse des unterstützenden Einsatzes einer Adsorptionskälteanlage für die PKW-Klimatisierung, Fakultät für Maschinenbauder Technischen Universtität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweigluận, oktober 2014 [10] Barrault, S ; Benouali, J ; Clodic, D, Analysis of the economic and environmental consequences of a phase out or considerable reduction leakage of mobile air conditioners In: Final Report 30001 Ecole des Mines de Paris/Armines(2003), S 53 [11] Schwarz, J ; Maier-Laxhuber, P ; Woerz, R.: Cooling and air conditioning with water/zeolite in Proceedings of the 1993 non-fluorocarbon insulation, refrigeration and air conditioning technology workshop, 1993, S 27–29 [12] Gentner, H.: Vergleichende Untersuchung von mechanisch, elektrisch und thermisch angetriebenen Kälteanlagen zur Fahrzeugklimatisierung, Technische Universität München, Dissertation, 1995 [13] Amir Sharafifian, Majid Bahrami, Critical analysis of thermodynamic cycle modeling of adsorption cooling systems for light-duty vehicle air conditioning applications, Laboratory for Alternative Energy Conversion (LAEC), School of Mechatronic Systems Engineering, Simon Fraser University, 2015 [14] Syed Muztuza Ali, Anutosh Chakraborty, Thermodynamic Modelling and Performance Study of an Engine Waste Heat, , Nanyang Technological University, Singgapor, 2015 [15] B Shi, A Elsayed, R.K AL-Dadah, S Mahmoud, CFD Simulation of Honeycomb Adsorption Bed for Automotive Cooling System, Proceedings of the International Conference on Heat Transfer and Fluid Flow,Prague, Czech Republic, August 2014 [16] Siegfried Kreussler and Detlef Bolz, experiments on solar adsorption refrigeration using zeolite and water, Laboratory for Solar Energy, University of Applied Sciences Luebeck, Germany [17] Constanze Bongs, Experimentelle und mathematisch-numerische Untersuchung von verdunstungsgekühlten, sorptiv beschichteten Wärmeübertragern für die Luftentfeuchtung und kühlung, Uni Aachen, 2014 [18] Sybille Dallapiccola, Abwärmenutzung zur Kälteerzeugung mittels Absorptionskälteanlagen, Uni Dornbirn, Januar 2017 [19] Technologien zur solaren Kühlung in Wohngebäuden weltweit und in Gebäuden des sozialen Wohnungsbaus in Mexiko, Uli Jakob, Paul Kohlenbach, GIZ Oktober 2017 [20] Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 7e [21] Motoyuki Suzuki, Application of adsorption cooling systems to automobiles, Institute of Industrial Science, University of Tokyo, 7-22-1 Ropponsi, Minato-ku, Tokyo 106, Japan, 1993 [22] Amirhossein Sharafianardakani, Waste heat-driven adsorption cooling systems for vehicle air conditioning applications, Luận án tiến sỹ Simon Fraser university, 2015 Ngày nhận bài: 15/11/2020 Ngày chấp nhận đăng: 04/03/2021 © 2021 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ... Chí Minh MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỂ ĐIỀU HÒA KHƠNG KHÍ TRONG Ơ TƠ 133 Khí thải thu nhiệt qua van điều chỉnh đến buồng giải hấp phụ nhả nhiệt cho chất hấp phụ làm... Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 130 MÁY LẠNH HẤP PHỤ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỂ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRONG Ô TÔ Động Động Diezel (a) Động Otto (b) Động Otto đầy... coi phận hấp phụ, ba phận máy lạnh hấp phụ ? ?máy nén nhiệt? ?? Qua trình cấp /thải nhiệt cho phận hấp phụ trình trao đổi lượng cần thiết để môi chất lạnh lưu động Như máy lạnh hấp phụ không sử dụng bơm