Hcmute tính toán thiết kế chế tạo máy lạnh hấp thụ 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 TÍNH TỐN - THIẾT KẾ - CHẾ TẠO MÁY LẠNH HẤP PHỤ ỨNG DỤNG NĂNG LUỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG THAN HOẠT TÍNH - METHANOL S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2012 Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM Khoa Cơ Khí Động Lực Ngành Công Nghệ Nhiệt – Điện Lạnh  Đề tài nghiên cứu khoa học: TÍNH TỐN - THIẾT KẾ - CHẾ TẠO MÁY LẠNH HẤP PHỤ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG THAN HOẠT TÍNH - METHANOL GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC SVTH: TRỊNH HỒNG NGỌC 08213022 NGUYỄN LÊ TRUNG VIỆT 08213042 Tp HCM tháng - 2012 Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *************** **************** NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC KHOA: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGÀNH: CƠNG NGHỆ NHIỆT – ĐIỆN LẠNH NIÊN KHÓA: 2008 – 2012 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC: TÍNH TỐN - THIẾT KẾ - CHẾ TẠO MÁY LẠNH HẤP PHỤ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG THAN HOẠT TÍNH - METHANOL SINH VIÊN THỰC HIỆN: TRỊNH HỒNG NGỌC NGUYỄN LÊ TRUNG VIỆT 08213022 08213042 Ngày giao nhiệm vụ nghiên cứu khoa học: 25/02/2012 Ngày hoàn thành nghiên cứu khoa học: Giáo viên hướng dẫn: 25/06/2012 Ts HOÀNG AN QUỐC Chủ nhiệm môn Giáo viên hướng dẫn Ts LÊ XN HỊA Ts HỒNG AN QUỐC Trang Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, kỹ thuật lạnh đại tiến bước xa, có trình độ khoa học kỹ thuật ngang với ngành kỹ thuật khác Thế nhưng, nhiều loại freôn lại thủ phạm phá huỷ, làm suy giảm tầng ôzôn gây hiệu ứng nhà kính, làm nóng trái đất Để bảo vệ mơi trường sống frêơn phải loại bỏ loài người phải đứng trước thử thách đường tìm kiếm mơi chất lạnh thay Việc tìm kiếm khai thác nguồn lượng lượng hạt nhân, lượng địa nhiệt, lượng gió lượng mặt trời hướng quan trọng kế hoạch phát triển lượng, nước phát triển mà với nước phát triển Việt Nam Việc tiếp cận để tận dụng nguồn lượng khơng góp phần cung ứng kịp nhu cầu lượng xã hội mà giúp tiết kiệm điện giảm thiểu ô nhiễm môi trường Hiện Việt Nam có xu hướng nghiên cứu đem vào sử dụng máy lạnh hấp phụ sử dụng lượng mặt trời để thay máy lạnh nén nhằm tận dụng tối đa tiết kiệm nguồn lượng Trong đề tài nghiên cứu khoa học này, nhóm chúng em giao nhận đề tài “Tính tốn – thiết kết – chế tạo máy lạnh hấp phụ ứng dụng lượng mặt trời, sử dụng than hoạt tính – Methanol” Sau thời gian nỗ lực làm việc cộng với bảo thầy HOÀNG AN QUỐC, với giúp đỡ q Thầy Cơ khoa, đóng góp ý kiến bạn lớp giúp nhóm chúng em hồn thành đề tài Tuy nhiên, thời gian cịn hạn chế, tài liệu tham khảo khơng nhiều nên khơng tránh khỏi sai sót Nhóm chúng em kính mong nhận bảo thêm quí Thầy Cô khoa để nghiên cứu tốt Nhân đây, nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn q Thầy Cơ tận tình hướng dẫn chúng em suốt năm học để có ngày hơm hồn thành nghiên cứu khoa học Nhóm sinh viên thực Trang Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC NHẬN XÉT CỦA GVHD Ngày tháng năm 2012 Giáo viên hướng dẫn Ts Hoàng An Quốc Trang Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HỒNG AN QUỐC MỤC LỤC Lời nói đầu Trang PHẦN I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Lý chọn đề tài 06 Ý nghĩa thực tiễn đề tài 06 Những đóng góp mặt khoa học 06 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 06 Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 07 Giả thuyết nghiên cứu 07 Khách thể nghiên cứu 07 Phương pháp phương tiện sử dụng nghiên cứu 07 Bố cục đề tài 07 PHẦN II: TÍNH TỐN - THIẾT KẾ MÁY LẠNH HẤP PHỤ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG THAN HOẠT TÍNH METHANOL Tính tốn thiết kế collector lượng mặt trời dùng cho máy lạnh hấp phụ 08 1.1 Các loại collector lượng mặt trời 08 1.2 Cấu tạo collector loại tập trung kiểu ống trụ đặt cố định 08 1.3 Phương trình cân nhiệt thu 09 1.4 Tính tốn chọn kích thước thu 12 1.5.Tính tổn thất nhiệt tồn phần Ul thu 13 1.5.1 Tổn thất nhiệt qua mặt đáy Ud 13 1.5.2 Tổn thất nhiệt qua thành bên Ub 13 1.5.3 Tổn thất cho mặt Ut 14 1.6.Hướng góc nghiêng collector hệ thống 17 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.2 2.2.1 2.2.2 Tính tốn thiết kế hệ thống sản xuất nước đá 18 Tính tốn dàn bay 18 Tính tốn kích thước dàn bay 18 Tính cách nhiệt cho vách 19 Tính cách nhiệt cho đáy 20 Tính cách nhiệt cho nắp 20 Tính nhiệt dàn bay 21 Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che 21 Tổn thất nhiệt làm đông đá 22 Trang Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 2.2.3 2.3 2.3.1 2.3.2 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5 Tổn thất nhiệt làm lạnh khuôn đá 22 Tính tốn thiết bị ngưng tụ 24 Chọn loại thiết bị ngưng nhiệt độ ngưng tụ 24 Tính chọn diện tích bề mặt trao đổi nhiệt 24 Tính tốn trình hấp phụ 26 Tính chọn tung độ a 26 Tính chọn hồnh độ p 27 Đường hấp phụ đẳng nhiệt 28 Tính lượng nhiệt cần cấp cho hấp phụ để làm môi chất tách khỏi chất hấp phụ 29 Lượng nhiệt Qbhp1 để gia nhiệt cho hấp phụ chất hấp phụ từ nhiệt độ Ta2 đến nhiệt độ Tg2 29 Lượng nhiệt cần Qbhp2 để gia nhiệt cho môi chất trước lúc bốc 29 Lượng nhiệt cần Qbhp3 để làm bay môi chất khỏi hấp phụ 29 Tổng lượng nhiệt cần cấp cho hấp phụ Qbhp 30 Lượng nhiệt thải Qll2 mơi chất q trình hấp phụ 30 PHẦN III: 3.1 3.2 3.3 GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC CHẾ TẠO, ĐO ĐẠC THÔNG SỐ VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG Các vật liệu chế tạo 30 Nạp môi chất cho hệ thống 30 Kết thực nghiệm hệ số làm lạnh COP 30 Kết luận 31 PHẦN IV: TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 Trang Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC PHẦN I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Lý chọn đề tài Ngày nay, kỹ thuật lạnh đại tiến bước xa, có trình độ khoa học kỹ thuật ngang với ngành kỹ thuật khác Thế nhưng, nhiều loại môi chất freon lại thủ phạm phá huỷ, làm suy giảm tầng ơzơn gây hiệu ứng nhà kính, làm nóng trái đất Máy lạnh sử dụng NLMT dùng pin mặt trời để vận hành máy nén sử dụng Tuy nhiên giá thành cao khơng phù hợp với vùng sâu, xa khơng có điện lưới Việc nghiên cứu, chế tạo máy lạnh hấp phụ sử dụng trực tiếp nguồn lượng mặt trời không gây ô nhiểm môi trường, giảm phát thải CO2 khơng có chất CFC gây phá huỷ tầng ôzôn có giá thành phù hợp việc làm cần thiết giai đoạn mà giá nhiên liệu truyền thống không ngừng tăng cao Năng lượng mặt trời – nguồn lượng tiềm tàng – loài người thực đặc biệt quan tâm Đối với Việt Nam, nước có tiềm NLMT, nằm khu vực có cường độ xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ lớn từ 100 – 175 kcal/cm2.năm (4,2 – 7,3 GJ/m2.năm) việc sử dụng NLMT nước ta đem lại hiệu kinh tế lớn Hệ thống lạnh hấp phụ sử dụng NLMT đề tài hấp dẫn có tính thời nhiều nhà khoa học nước nghiên cứu Với tiêu chí đó, nhóm nghiên cứu thống định chọn đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu – thiết kế – chế tạo hệ thống lạnh hấp phụ ứng dụng lượng mặt trời” Ý nghĩa thực tiễn đề tài Xuất phát từ thực tế nay, vấn đề lượng Việt Nam nói riêng giới nói chung vấn đề cấp thiết quan tâm hàng đầu Giải pháp chế tạo hệ thống sản xuất nước đá lượng mặt trời phù hợp với điều kiện thực tế nước ta nhằm bảo vệ môi trường, vừa nâng cao hiệu thiết bị sử dụng lượng mặt trời, vừa ứng dụng chúng vào thực tế vừa giải nhu cầu thiếu hụt lượng cho tương lai Những đóng góp mặt khoa học Tìm hiểu, nghiên cứu, thiết kế chế tạo mẫu hệ thống lạnh vận hành phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam, nêu lên vai trò nguồn lượng – lượng mặt trời; đồng thời đáp ứng nhu cầu sử dụng lạnh, đặc biệt nơi vùng sâu vùng xa mà điện lưới chưa thể đến Đối tượng phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống lạnh hấp phụ sử dụng lượng mặt trời  Phạm vi nghiên cứu: Cặp chất hấp phụ than hoạt tính methanol dùng lượng mặt trời để gia nhiệt Trang Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu  Mục tiêu nghiên cứu: Chế tạo hệ thống sản xuất nước đá sử dụng lượng mặt trời phù hợp với tiêu:  Tạo sản phẩm nước đá theo yêu cầu  Dễ vận hành  Giảm nhiễm mơi trường chi phí lượng  Giá thành rẻ Bên cạnh đó, đề tài mơ hình thực nghiệm cho sinh viên ngành Nhiệt – Điện lạnh trường Đại học sư phạm kỹ thuật Tp.HCM, mơ hình nghiên cứu khoa học sở để nhóm nghiên cứu hồn thành khóa luận tốt nghiệp  Nhiệm vụ nghiên cứu  Tìm hiểu loại hệ thống lạnh hấp phụ  Sử dụng lượng mặt trời để tiết kiệm bảo vệ môi trường  Chế tạo mô hình hệ thống lạnh hấp phụ với chi phí thấp Giả thuyết nghiên cứu  Tiết kiệm lượng lớn lượng điện  Đem lại hướng việc nghiên cứu sử dụng lượng mặt trời  Kết đạt khẳng định kiến thức khoa học công nghệ đại Khách thể nghiên cứu   Năng lượng mặt trời ứng dụng lượng mặt trời Ảnh hưởng môi trường xung quanh nhiệt độ, thời tiết,… Phương pháp phương tiện sử dụng nghiên cứu: để giải vấn đề đề tài đặt ra, nhóm chúng em sử dụng phương pháp nghiên cứu sau đây:  Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm  Phương pháp kế thừa  Phương pháp khảo sát tham khảo ý kiến  Phương pháp phân tích – thống kê Và phương tiện nghiên cứu:  Tài liệu chuyên ngành thông qua thư viện, nhà sách, mượn bạn bè, tham khảo Thầy Cơ, tìm kiếm mạng Internet,…  Những thiết bị đồ nghề xưởng Nhiệt nhiệt kế, máy hút chân không, đồng hồ nạp môi chất, máy hàn, máy cắt,… Bố cục đề tài Ngoài phần giới thiệu, kết luận, tài liệu tham khảo phụ lục, đề tài gồm có phần sau đây:  TÍNH TỐN - THIẾT KẾ MÁY LẠNH HẤP PHỤ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG THAN HOẠT TÍNH – METHANOL  CHẾ TẠO, ĐO ĐẠC THƠNG SỐ VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG Trang Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC PHẦN II: TÍNH TỐN - THIẾT KẾ MÁY LẠNH HẤP PHỤ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG THAN HOẠT TÍNH - METHANOL 1.Tính tốn thiết kế collector lượng mặt trời dùng cho máy lạnh hấp phụ 1.1 Các loại collector lượng mặt trời Collector loại thiết bị thu nhận NLMT, trường hợp nghiên cứu để cung cấp nhiệt cho máy lạnh hấp phụ Trong thực tế có nhiều loại collector NLMT, nhiên chúng chủ yếu xuất phát từ dạng là: collector phẳng collector loại tập trung Về nguyên lý, hướng collector di chuyển theo chuyển động mặt trời hiệu thu NLMT cao Trong máy lạnh NLMT, nhiều trường hợp, người ta dùng loại collector loại tập trung cần nhiệt độ cung cấp cao( xấp xỉ 100oC) Trong khn khổ đề tài, nhóm chúng em chọn thiết kế loại collector tập trung loại parabol trụ cố định Ưu điểm loại collector nắng nhẹ, nhiệt độ ống hấp thụ NLMT đủ lớn để vận hành máy lạnh hấp phụ 1.2 Cấu tạo collector loại tập trung kiểu ống trụ đặt cố định  Bộ thu gồm ống INOX chứa than hoạt tính bên trong, bên ngồi sơn đen để hấp thụ nhiệt tốt  Tấm phủ suốt: làm thuỷ tinh, nhiệm vụ tạo hiệu ứng nhà kính nhằm giảm bớt tổn thất lượng xạ từ bề mặt làm việc collector ngồi mơi trường, đồng thời hạn chế tổn thất nhiệt đối lưu  Chất làm việc: máy lạnh hấp phụ nhóm nghiên cứu sử dụng chất hấp phụ là than hoạt tính mơi chất tương ứng methanol  Lớp cách nhiệt: lớp cách nhiệt đặt phía thành đáy để giảm tổn thất nhiệt  Lớp than hoạt tính chứa bên collector vật liệu Inox chiều dày mm Phía có lớp lưới để mơi chất ngồi đến phận ngưng tụ ngăn khơng cho than hoạt tính rớt khỏi collector Hai bên collector bọc cách nhiệt Trang Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC Đây thùng đá công suất nhỏ, kết cấu gọn nhẹ, thuận tiện tốt Kết cấu cách nhiệt chịu lực thường gồm lớp Lớp chọn vật liệu inox đảm bảo làm việc tốt điều kiện ăn mòn chi phí vừa phải Lớp lớp cách nhiệt polyurethan Lớp inox Chiều dày cách nhiệt từ biểu thức tính hệ số truyền nhiệt: K  n i 1   1    i 1 i Trong : K hệ số truyền nhiệt, W/m2K1, 2 hệ số toả nhiệt khơng khí vách ngồi vào vách ngồi, vách vào mơi trường bên trong, W/m2K i hệ số dẫn nhiệt lớp thứ i, W/mK i chiều dày lớp thứ i, m CN hệ số dẫn nhiệt lớp cách nhiệt, W/mK CN chiều dày lớp cách nhiệt, m n    Suy  CN  CN       i    K   i 1 i   2.1.2 Tính cách nhiệt cho vách Hình – Kết cấu vách dàn bay Bảng 3.5 Các thông số vật liệu thiết bị bay STT TÊN VẬT LIỆU CHIỀU DÀY δ (m) HỆ SỐ DẪN NHIỆT λ (W/mK) Sắt bên 0,001 58 Polyurethane δ CN 0,0237 Inox bên 0,001 15 Ngoài ra: K = 0,23 W/ m2K với nhiệt độ thùng đá -10 độ C α1 = 23,3 W/ m2K , α2 = W/ m2K Trang 19 Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC  0, 001 0, 001    Thay số ta được:  CN  0, 0237         0, 09906m 58 15   0, 23  23,3 Chọn lại chiều dày lớp cách nhiệt δ CN = 0,1 (m) Kiểm tra hệ số truyền nhiệt thực tế vách là: K   0, 22793W / m2 K tt 0, 001 0, 001 0,1    23,3 58 15 0, 0237 2.1.3 Tính cách nhiệt cho đáy: STT TÊN VẬT LIỆU CHIỀU DÀY δ (m) Sắt bên 0,001 Polyurethane δ CN Inox bên 0,001 K = 0,23 W/ m K với nhiệt độ thùng đá -10 độ C α1 = 23,3 W/ m2K , α2 = W/ m2K Thay số ta được: HỆ SỐ DẪN NHIỆT λ(W/mK) 58 0,0237 15  0, 001 0, 001           0, 09906m 58 15   0, 23  23,3  CN  0, 0237  Chọn lại chiều dày lớp cách nhiệt δ CN = 0,1 (m) Kiểm tra hệ số truyền nhiệt thực tế đáy: Ktt   0, 22578W / m2 K 0, 001 0, 001 0,1    23,3 58 15 0, 0237 2.1.4 Tính cách nhiệt cho nắp Trang 20 Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC STT TÊN VẬT LIỆU Sắt bên Polyurethane Sắt bên GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC CHIỀU DÀY δ (m) 0,001 δ CN 0,001 HỆ SỐ DẪN NHIỆT λ (W/mK) 58 0,0237 58 K = 0,23 W/ m2K với nhiệt độ thùng đá -10 độ C α1 = 23,3 W/ m2K , α2 = W/ m2K  0,001   Thay số ta được:  CN  0,0237    2    0,09807m 58   0, 23  23,3 Chọn lại chiều dày lớp cách nhiệt δ CN = 0,1 (m) Kiểm tra hệ số truyền nhiệt thực tế nắp : Ktt   0, 22578W / m2 K 0,001 0,1  2   23,3 58 0,0237 2.2 Tính nhiệt dàn bay hơi: Mục đích: Tính tốn cơng suất lạnh cần thiết cung cấp cho dàn bay lượng môi chất cần thiết phải nạp vào hệ thống Dòng nhiệt tổn thất vào thùng lạnh xác định công thức :Q = Q1 + Q2 , W Trong đó: Q1 – dòng nhiệt qua kết cấu bao che thùng đá, W Q2 – dịng nhiệt đơng đá làm lạnh khuôn, W 2.2.1 Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che: Bao gồm tổn thất nhiệt đối lưu xạ Ở tổn thất xạ trình làm lạnh diễn trời lặn Do tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che tính theo công thức đối lưu: Q1 = K F t , W Với K - hệ số truyền nhiệt kết cấu xác định chương 6, W/m2K F - Diện tích kết cấu, m2 t – Độ chênh nhiệt độ môi trường bên ngồi bên kết cấu Vì hệ thống sử dụng lượng mặt trời nên ta chọn nhiệt độ trời nhiệt độ trung bình tháng nóng để tính, lấy 37,30C Nhiệt độ bên vách đáy -100C(nhiệt độ môi chất) Nhiệt độ bên nắp -50C (nhiệt độ nước đá) Tổng hợp kích thước dàn bay STT KẾT CẤU VÁCH ĐÁY NẮP K (W/m2K) 0,22793 0,22578 0,22578 F(m2) 0,49 0,1225 0,1225 Δ t (độ C) 47,3 47,3 42,3 Qt 5,28273 1,30823 1,16994 Trang 21 Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC Vậy tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che: Qt = 5,28273 + 1,30823 + 1,16994 = 7,7609 W 2.2.2 Tổn thất nhiệt làm đơng đá Q2đ tính theo cơng thức: Q2đ  E q , W  Trong : E – suất làm đá, E = kg  - thời gian làm đông đá Ở thời gian làm đông đá là:  = 12h = 12x3600 = 43200 s qo – nhiệt lượng cần làm lạnh kg nước từ nhiệt độ ban đầu đến đơng đá hồn tồn tính theo: q0  CPn t1  r  C pd t , J / kg Cpn - nhiệt dung riêng nước Cpn = 4186 J/kg.K r - nhiệt đông đặc nước r = 333600 J/kg Cpd - nhiệt dung riêng đá Cpd = 2090 J/kg.K t1 - nhiệt độ nước đá đầu vào, lấy t1 = 300C t2 - nhiệt độ nước đá, t2 = -50C Thay vào ta có: qo = 4186*30 + 333600 + 2090*5 = 469630 J/kg Suy Q2 d  469630 43200 = 21,74213 W 2.2.3 Tổn thất nhiệt làm lạnh khuôn đá QK  M C pk t k1  t k   ,W M – tổng khối lượng khuôn đá, kg CPk – nhiệt dung riêng khuôn, khuôn làm inox nên nhiệt riêng 460 J/kg tk1 – nhiệt độ khuôn lúc ban đầu Nhiệt độ ban đầu lấy nhiệt nước 300C tk2 – nhiệt độ khuôn lúc đá hoàn thiện, tk2 nhỏ nhiệt độ trung bình đá khoảng 30C tk2 = t2 – = -5 – = -80C Khối lượng khuôn tính theo cơng thức: M = K.VK (kg) Trong đó: K – khối lượng riêng khn Vì khn inox nên K =7850 kg/m3 K – chiều dày khn K = 0,001 m Fb – diện tích mặt bên khn Mặt bên khn hình trụ trịn Fd- diện tích mặt đáy khn, hình trịn đường kính 0,09m đường kính 0,07 m Fb = (F xq lớn + F xq nhỏ) + (F đáy lớn + F đáy nhỏ) Fb = (0,07*3,14*0,23*3 + 0,09*3,14*0,23*3) + (0,092 *3,14*0,25*3 + 0,062 *3,14*0,25*3) = 0,3742 m2 Suy khối lượng khuôn là: M = 7850*0,001*0,3742 =2,93747 kg Trang 22 Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Vậy nhiệt làm lạnh khuôn là: QK  2,93747 GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC 460  30  8 43200  1,18859W Do nhiệt làm đơng đá làm lạnh khuôn Q2 = 21,74 + 1,18859 = 22,92859 W Tổng công suất nhiệt tổn thất Q = Q1 + Q = 7,7609+ 22,92859 = 30,68949 W Do thời gian làm việc thiết bị, tồn tổn thất nhiệt truyền qua đường ống hệ thống không cách nhiệt nên suất lạnh hệ thống phải tính lại có thêm hệ số: Q0  k Q ,W b Trong đó: k – hệ số tính đến tổn thất đường ống thiết bị hệ thống, hệ thống làm lạnh trực tiếp phụ thuộc vào nhiệt độ bay môi chất , với t0 = -10 chọn k = 1,02 b – hệ số thời gian làm việc Đối với hệ thống lạnh nhỏ ta có b = 0,8 Q0  1, 02  30,805  39,1291W 0,8 Nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho dàn bay suốt thời gian làm việc hệ thống: Q’ = Q0  = 39,1291 43200 = 1690377,12 J Từ ta suy lượng rượu cần cung cấp theo công thức: M mc  Q' , kg r Với r - nhiệt ẩn hoá rượu methanol phụ thuộc vào hiệu nhiệt độ tới hạn tth nhiệt độ bay t0 rượu Ta có tth – t0 = 240 -(-10) = 2500C Suy nhiệt ẩn hoá r = 290 kcal/kg = 1214172 J/kg Vậy M mc  1690377,12 M  1, 3922kg Do dung tích rượu phải nạp Vmc  mc , m 1214172  với  - khối lượng riêng rượu, ta có  = 792 kg/m3 Vmc  1,3922  0, 00176m3  1, 76l 792 Hình – Kết cấu dàn bay thực tế Trang 23 Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC 2.3 Tính tốn thiết bị ngưng tụ 2.3.1 Chọn loại thiết bị ngưng nhiệt độ ngưng tụ Nhiệt độ ngưng tụ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường làm mát thiết bị ngưng tụ Hệ thống ngưng tụ chúng tơi chọn hệ làm mát khơng khí tự nhiên Hiệu nhiệt độ ngưng tụ t1 môi chất lạnh ngưng tụ khơng khí 10 – 150C Chọn t1 = ts – tmt= 100C Ta có tmt = 37,3 0C Do ts = 37,3 + = 47,3 0C Dàn ngưng loại ống mỏng,nên coi tw1=tw2 (nhiệt độ vách nhau) 2.3.2 Tính tốn diện tích bề mặt trao đổi nhiệt Ta có phương trình truyền nhiệt: QK = k * F * t , W QK – phụ tải nhiệt thiết bị ngưng tụ Vì hệ thống làm việc theo chu kỳ nên QK lượng nhiệt làm Mmc kg môi chất ngưng tụ thời gian làm việc ban ngày Đây nhiệt lượng bay mơi chất lạnh Ta có: QK = Q0 = 39,1291 W kF1 – hệ số truyền nhiệt, W/m2K Đây toán ngưng tụ bên ống trơn Đường kính ngồi ống 16mm, đường kính 14,4 mm Ở d  d1 16  1,11  1,4 nên ta dùng công thức cho vách phẳng 16  1,6 k     1  2 Với: 1: hệ số toả nhiệt phía mơi chất ngưng tụ ống 2: hệ số toả nhiệt phía khơng khí bên ngồi Bộ ngưng tụ làm mát đối lưu tự nhiên đặt bên có gió đối lưu qua nên 2 lấy W/m2.oK Vì tốc độ dịng bé, nên hệ số toả nhiệt ngưng tính: Trang 24 Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tính hệ số toả nhiệt bên 1= 0,943 GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC (  g r ) 0,25 (  t l ) 0,25 g, gia tốc trọng trường, g= 9,81 m/s2 - hệ số dẫn nhiệt màng mơi chất ngưng, W/m.K r- nhiệt ẩn hố nước, J/kg - khối lượng riêng nước, kg/m3 - độ nhớt động học nước, Ns/m2 l- chiều cao ống ống, m t1 = ts- tw ts- nhiệt độ ngưng tụ nước tw- nhiệt độ bề mặt ống, ống mỏng, nên tw1 = tw2, nhiệt độ bề mặt bên bên vách Các thông số vật lý lấy theo nhiệt độ ngưng tụ nước.Vì hệ thống ngưng tụ kiểu đối lưu tự nhiên khơng khí, nên nhiệt độ ngưng tụ chọn cao nhiệt độ môi trường 10 0C Nhiệt độ khơng khí lấy trung bình cho tháng nắng Tp Hồ Chí Minh 37,30C, nhiệt độ ngưng lấy 47,30C Bảng 3.9 Các thông số vật lý methanol STT Giá trị Các thông số r 1214172 J/kg  401.10-6 Pa  792 kg/m3  0,193 w/m.oK Pr 5,55 g 9,81 m/s2 H 0,6 m t 0,05 Thay số ta có:   0,943 (0,193 792 .9,81.1214172) 0,25 0,25 (401.10 0, 05.0, 6)  1453, 0544 W/m K Trang 25 Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hệ số truyền nhiệt K 1 0, 001   1453, 0544 15  7,95198 GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC W/m2K Kiểm tra lại độ chênh nhiệt độ t: q1=K*t= 7,95198*10 = 79,5198 W/m2 q1=1*t suy ra: t= q 1  79,55  0, 054 oC 1520,818 Gần với chọn t= 0,05 oC nên khơng cần tính lại Kết ta có: 1= 1453,0544 W/m2.oK kF1= 7,95198 W/m2.oK Từ diện tích bề mặt ống truyền nhiệt ngưng tụ là: F1  Q  k.t 30,805  0, 4921m2 7,95198*10 Ống có đường kính 0,0144m, dài 0,65m, ta tính số ống cần phải làm: Diện tích ống: F =0,0144*3,14*0,65= 0,03 m2 Vậy số ống là: n= 0,4921/0,03 = 16,4 ống Cho an toàn ta chọn số ống 18 ống Dàn ngưng chế tạo ống INOX hình vẽ Hình – Thiết bị ngưng tụ thực tế 2.4 Tính tốn q trình hấp phụ 2.4.1 Tính chọn tung độ a Dựa vào đường hấp phụ đẳng nhiệt Benzen (Hình X.1 trang 245 Sổ tay Q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất – Tập 2), ta xây dựng đường hấp phụ đẳng nhiệt a  a1 Methanol theo cơng thức: V1 V2 Trong đó: tính tung độ a  a1* - tung độ cấu tử chuẩn, thường chọn benzen, [kg/kg than]  a2* - tung độ cấu tử cần tính, kg/kg than Trang 26 Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC Cơng thức tính thể tích mol: V  Trong đó:  M  (m3 / kmol) M – khối lượng phân tử (kg/kmol) Khối lượng phân tử benzen M = 78 (kg/kmol) Khối lượng phân tử methanol M = 32 (kg/kmol)  - khối lượng riêng (kg/m3) Khối lượng riêng benzen 1 = 879 (kg/m3) Khối lượng riêng methanol 2 = 792 (kg/m3)  Ta có: V1  2.4.2 M1 1  78  0,0887(m / kmol) 879 V2  Tính chọn hồnh độ p lg p2  lg ps ,   M2 2  32  0,0404(m3 / kmol) 792 T1 ps ,1 lg T2 p1 p1, p2: Áp suất riêng phần Benzen Methanol (mmHg)  pS-1 - p suất bão hòa cấu tử benzen nhiệt độ T1, [mmHg]  pS-2 - p suất bão hòa cấu tử cần tính nhiệt độ T2, [mmHg]  T1, T2: Nhiệt độ Benzen methanol hấp phụ (oK) Ta có: Áp suất bão hịa benzen nhiệt độ T1 ps,1 = 75 (mmHg) Cần tìm pS-2 Cơng thức áp suất bão hịa tính theo: lg pS-2 = a0 + a1.(T2-1 - (7,9151-2,6726.lgT2).10-3 -8,625.10-7.T2), [Pa] Trong đó: a0 = 9,1716 a1 = -2,7596.103 T1 - nhiệt độ hấp phụ benzen, (K) Chọn T1 = 200C = 293K T2 - nhiệt độ hấp phụ metanol, (K) Chọn T2 = 300C = 303K Thay vào công thức ta được: lg pS-2 = 9,1716+ (-2,7596.103).(303-1 - (7,9151-2,6726.lg303).10-3 -8,625.10-7.303) = 4,3308 (Pa) Suy :pS-2 = 104,3308 = 21419,04 Pa = 21419,04 133,322 = 162 (mmHg) Hệ số lực (hệ số aphin)  tính theo cơng thức:   0,0404 V2   0,4554 V1 0,0887 Trang 27 Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC 2.4.3 Đường hấp phụ đẳng nhiệt : Ta lấy số điểm đường đẳng nhiệt hấp phụ Benzen, ta tính toạ độ điểm tương ứng đường đẳng nhiệt hấp phụ Methanol Ta bảng số liệu: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Đường hấp phụ đẳng nhiệt Benzen Methanol a1*, kg/kg p1, mmHg a2*, kg/kg p2, mmHg 0,103 0,105 0,0916 7,4755 0,122 0,223 0,1085 10,4591 0,208 0,1851 20,4207 0,233 0,2073 33,3282 0,262 0,2331 51,6111 0,276 13 0,2456 64,0854 Dựa vào điểm tìm được, ta vẽ đường hấp phụ đẳng nhiệt Methanol: 140 120 p (mmHg) 100 80 60 40 20 31 94 30 07 28 29 26 16 24 56 23 31 20 73 18 51 10 85 0 09 16 a* (kg hôi Methanol/kg than) Và từ đường hấp phụ đẳng nhiệt này, ta tính lượng than hoạt tính cách tính áp suất bay rượu methanol vào đồ thị đường hấp phụ để có hoạt độ tĩnh a rượu Nhiệt độ bay rượu methanol T0 = - 100C = 263K Vậy áp suất bay rượu tính theo cơng thức : lgp = a0 + a1.(T-1 - (7,9151-2,6726.lgT).10-3 -8,625.10-7.T), [Pa] Suy : lgp = 3,2294 => p = 1992,501 (Pa) => p = 14,945 (mmHg) Suy hoạt độ tĩnh methanol -100C a = 0,1430 (công thức gần đúng) Trang 28 Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HỒNG AN QUỐC Do lượng than cần chứa hết môi chất -100C là: M than  M MC 1,6   11,188 kg a 0,143 Khối lượng riêng xốp than ta có X =800 kg/m3 M 11,188 Vậy thể tích than là: Vthan  than   0,014m X 800 Lượng than chứa hết hấp thụ nên cấu tạo hấp thụ phải đảm bảo chứa hết lượng than thể tích chứa than thu 0,019 m3 2.5 Tính lượng nhiệt cần cấp cho hấp phụ để làm môi chất tách khỏi chất hấp phụ 2.5.1 Lượng nhiệt để gia nhiệt cho hấp phụ chất hấp phụ Qbhp1 từ nhiệt độ Ta2 đến nhiệt độ Tg2 Tg Nhiệt lượng cần thiết Qbhp1   (M bhp Cbhp  M hp C hp ).dT Ta Qbhp1  ( M bhp Cbhp  M hp C hp )(Tg  Ta1 ) Trong đó: Mbhp - khối lượng hấp phụ Mbhp = kg Cbhp - nhiệt dung riêng kim loại chế tạo hấp phụ Cbhp = 0,46 kJ/kg.K Mhp - khối lượng than hấp phụ Mhp = 11,188 kg Chp - Nhiệt dung riêng than hấp phụ Chp = 1,214kJ/kgK Suy Qbhp1 = (6*0,46)*(90-30)*6 + (11,188*1,214)*(64,5-30) = 1462,187 kJ Ở ta tính nhiệt độ than mơi chất gia nhiệt đến nhiệt độ sôi methanol o 64,5 C, nhiệt độ ống hấp thụ đến nhiệt độ cao đạt đến thu 90oC 2.5.2 Lượng nhiệt cần thiết để gia nhiệt cho môi chất trước lúc bốc Qbhp2 Tg Qbhp  M C pmc dT mc Ta Qbhp  M mc C pmc (Tg1  Ta ) Mmc - Khối lượng mơi chất tính Mmc = 1,6 kg Tg1 - nhiệt độ bắt đầu nhả than Đây nhiệt độ ngưng tụ môi chất Tg1 =47,3 0C Cpmc - nhiệt dung riêng môi chất: Cpmc = a0 + a1.T + a2.T2 + a3.T3 , KJ/kg Với a0 = 2,4894 a1 = -1,1237.10-3; a2 = -1,1081.10-5; a3 = 5,2757.10-8 T - nhiệt độ methanol, K Nhiệt độ khoảng từ 300C đến 47,30C ta lấy nhiệt độ trung bình tính toán: T = ( 30 + 47,3) /2 = 38,650C = 311,65K Cpmc=2,4894-1,1237.10-3.311,65-1,1081.10-5.311,652+5,2757.10-8.311,653 =2,6598 KJ/kg Suy : Qbhp2 = 1,6 * 2,6598 * (47,3 – 30) = 73,623 kJ 2.5.3 Lượng nhiệt cần Qbhp3 để làm bay môi chất khỏi hấp phụ Nhiệt lượng cần thiết để làm bốc môi chất lạnh khỏi hấp thụ tính theo cơng thức: Qbhp3 = r Mmc , kJ Trang 29 Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC Với r - nhiệt hóa methanol, r =1214172J/kg Vậy Qbhp3 = 1214,172 1,6 = 1942,675 kJ 2.5.4 Tổng lượng nhiệt cần cấp cho hấp phụ Qbhp = Qbhp1 + Qbhp2 + Qbhp3 Qbhp = 1462,187 kJ + 73,623 kJ + 1942,675 kJ = 3478,485 kJ Nhiệt lượng collector hấp thụ NLMT cung cấp 2.5.5 Lượng nhiệt thải Qll2 mơi chất q trình hấp phụ Qll2 = q Mmc , kJ Lượng nhiệt nhiệt lượng trình tách môi chất lạnh Qll2 = Qbhp3 = 1942,675 kJ Vào ban đêm, trình hấp phụ-bay diễn ra, cần ý để nhiệt thoát dể dàng, thực tế với kết cấu thu giới thiệu, việc làm mát ban đêm đủ để trình hấp phụ-bay diễn dễ dàng PHẦN III: CHẾ TẠO, ĐO ĐẠC THÔNG SỐ VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG 3.1.Chế tạo  Để thực chế tạo, nhóm chúng em chọn loại vật liệu INOX Ống chứa than hoạt tính làm ống INOX đường kính 76 mm, chiều dày mm  Thiết bị ngưng tụ chế tạo ống INOX đường kính 16 mm dày mm  Thiết bị bay làm Inox dày mm  Sau kiểm tra độ kín, tiến hành hút chân khơng hệ thống áp suất -750 mmHg 3.2 Nạp môi chất cho hệ thống Trong trình chế tạo, điều đặc biệt ý hệ thống làm việc điều kiện chân không cao (-750mmHg), việc xử lý mối hàn đặc biệt trọng Sau thử kín xong, tiến hành hút chân khơng Chú ý than hoạt tính hấp phụ mạnh khí nước khơng khí q trình gia cơng, phải tiến hành làm nóng hấp phụ để khí, nước hết q trình hút chân không Việc kiểm tra độ chân không trọng Dùng máy hút chân không chuyên dùng, hút kết khí nước hệ thống đến độ chân không 10-6 mmHg, kiểm tra độ chân không chân khơng kế Sau bảo đảm độ kín hệ thống, tiến hành nạp methanol Luợng methanol nạp vào hệ thống 1,7 lít theo tính tốn 3.3 Kết thực nghiệm hệ số làm lạnh COP Gọi m khối lượng đá tạo ra, nhiệt ẩn hoá hơi(ngưng tụ) nước r, hệ số hiệu làm lạnh định nghĩa tỷ số lượng có ích lượng tồn phần Q Q nhận từ mặt trời: COP = e  l e Qh A. G (t )dt m Ở đây, Qe nhiệt cần thiết cho dàn bay để làm đông đá Qh tổng xạ mặt trời thu thu từ mặt trời mọc đến mặt trời lặn Trang 30 Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC Do điều kiện đo tổng lượng tới G mặt trời gặp khó khăn, thiếu thiết bị, chúng tơi xây dựng thí nghiệm dùng đèn chiếu sáng tương tự ánh sáng mặt trời, cường độ xạ có giá trị khơng đổi cơng việc tính tổng lượng tới dể dàng Giá trị Q’ tính = 1690377,12 J Thời gian cần thiết để làm bốc hết lượng methanol hấp thụ Cường độ xạ đo 917 w/m2 Diện tích thu: F= 0,4921 m2 1690377,12  0,173 Tổng lượng tới là: 0,4921*917*6*3600 = 9747123J.Vậy COP= 9747123 Đánh giá COP: hệ số lạnh không cao so sánh kết nghiên cứu công bố giới, hiệu suất cao đạt trung bình 0,2 Nhóm chúng em sử dụng vật liệu rẻ tiền lớp sơn đen bình thường thay phải sơn có tính chọn lọc bề mặt nhận nhiệt phủ Crôm đen tốn kém, ngày trời nhiều mây, khơng có sản phẩm đá KẾT LUẬN Nội dung luận văn đề cập đến vấn đề mang tính thời sự: ứng dụng lượng mặt trời, nguồn lượng siêu sạch, dồi vào kỹ thuật lạnh Khi mà nguồn lượng truyền thống dần cạn kiệt, giá nhiên liệu giới khơng ngừng tăng cao đề tài có tính hấp dẫn Bằng sở lý thuyết hấp phụ, lý thuyết NLMT, nhóm chúng em thiết kế chế tạo mẫu máy lạnh phù hợp với điều kiện Việt Nam: Giá thành thấp, nguyên vật liệu dễ kiếm( than sọ dừa, methanol), dễ chế tạo hàng loạt Mục đích luận văn đạt được: nghiên cứu chế tạo thành công máy lạnh hấp phụ NLMT phù hợp nhằm sản xuất nước đá bảo quản lạnh Điều có ý nghĩa lớn nơi chưa có điện lưới Hướng phát triển: Để phát triển ứng dụng máy lạnh hấp phụ rắn, việc sử dụng NLMT, tận dụng nguồn nhiệt thải có nhiệt độ thấp khói thải động điezen để vận hành máy lạnh hấp phụ Việc hiệu trường hợp tàu đánh cá biển, nhiệt thải lớn Trang 31 Luan van BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC PHẦN IV: TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Bin (2000), Tính tốn q trình thiết bị cơng nghệ hố chất thực phẩm, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Nguyễn Bốn, Hoàng Dương Hùng (2000), Năng lượng mặt trời - lý thuyết ứng dụng, Đại học Bách khoa Đà Nẵng [3] Võ Chí Chính, Đinh Đức Thuận(2002), Máy thiết bị lạnh, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [4] Hoàng Dương Hùng (2002), Nghiên cứu nâng cao hiệu thiết bị thu lượng mặt trời để cấp nhiệt điều hồ khơng khí, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Bách khoa Đà nẵng [5] Bùi Hải, Dương Đức Hồng, Hà Mạnh Thư (1999), Thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [6] Lê Chí Hiệp (2004), Máy lạnh hấp thụ kỹ thuật điều hoà khơng khí, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh [7] Nguyễn Đức lợi (1992), Hướng dẫn thiết kế máy lạnh, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Trang 32 Luan van Luan van ... QUỐC PHẦN II: TÍNH TỐN - THIẾT KẾ MÁY LẠNH HẤP PHỤ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG THAN HOẠT TÍNH - METHANOL 1 .Tính tốn thiết kế collector lượng mặt trời dùng cho máy lạnh hấp phụ 1.1 Các... tiện sử dụng nghiên cứu 07 Bố cục đề tài 07 PHẦN II: TÍNH TỐN - THIẾT KẾ MÁY LẠNH HẤP PHỤ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG THAN HOẠT TÍNH METHANOL Tính tốn thiết kế collector... Ngành Cơng Nghệ Nhiệt – Điện Lạnh  Đề tài nghiên cứu khoa học: TÍNH TỐN - THIẾT KẾ - CHẾ TẠO MÁY LẠNH HẤP PHỤ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG THAN HOẠT TÍNH - METHANOL GVHD: Ts HOÀNG AN