Theoretical and experimental analysis evaluating the optimal generation temperature of nh3 h2o absorption refrigeration machine for ice making

Untitled 42 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 20, No K1 2017 Phân tích lý thuyết và thực nghiệm xác định nhiệt độ phát sinh tối ưu của máy lạnh hấp thụ NH3 H2O sản xuất nước đá Nguyễn Hiếu Nghĩa1,[.]

42 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 20, No.K1- 2017 Phân tích lý thuyết thực nghiệm xác định nhiệt độ phát sinh tối ưu máy lạnh hấp thụ NH3-H2O sản xuất nước đá Nguyễn Hiếu Nghĩa1, Lê Chí Hiệp2, Hồng An Quốc3  Tóm tắt— Chu trình máy lạnh hấp thụ sử dụng cặp lưu chất NH3-H2O quen thuộc phát triển rộng rãi Tuy nhiên, hầu hết nghiên cứu trước mang tính lý thuyết hệ thống dừng lại ứng dụng thực nghiệm cho nhu cầu riêng biệt có nghiên cứu thực nghiệm đơn lẻ cho phận máy Bài báo trình bày điểm trạng thái lưu chất máy lạnh hấp thụ thiết kế kết hợp lý thuyết tính tốn đo đạc thực tế máy lạnh hấp thụ hoàn chỉnh điều kiện hoạt động ổn định Bài báo trình bày tối ưu điều kiện hoạt động cho tồn hệ thống theo điều kiện mơi trường Việt Nam đáp ứng nguồn nhiệt cấp Mối tương quan nhiệt độ phát sinh tối ưu theo nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ hấp thụ, nhiệt độ bay phận hệ thống thiết lập phương trình hồi quy đa biến Các mô nhiệt độ phát sinh máy so sánh với thực nghiệm có sai số trung bình 1,2%; so với nghiên cứu khác có sai số từ tới 7% theo hệ số hiệu suất tối ưu Từ khóa— Máy lạnh hấp thụ, dung dịch NH3H2O, nhiệt độ phát sinh, nhiệt độ phát sinh tối ưu C GIỚI THIỆU hi phí vận hành tổng máy lạnh hấp thụ chủ yếu nguồn nhiệt cấp để phát sinh Máy lạnh hấp thụ sử dụng nguồn nhiệt chất lượng thấp Ngay ứng dụng sản xuất nước đá, nhiệt độ nguồn nhiệt khơng cần q cao (120-150 °C) sử dụng nguồn nhiệt thải Bài nhận ngày 11 tháng 11 năm 2016, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 17 tháng năm 2017 Nguyễn Hiếu Nghĩa - Khoa Công Nghệ Nhiệt-Lạnh, Đại học Công Nghiệp Tp.HCM (e-mail: llnghiaa@gmail.com) Lê Chí Hiệp - Bộ mơn Cơng Nghệ Nhiệt-Lạnh, Khoa Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (e-mail: lechihiep@hcmut.edu.vn) Hồng An Quốc - Phòng Nghiên Cứu Khoa Học, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM để nâng cao hiệu suất kết hợp toàn hệ thống Việc thiết kế máy lạnh hấp thụ thường bắt đầu với việc phân tích nhiệt động chu trình đề xuất Các nhà nghiên cứu tập trung vào chu trình nhiệt động phức tạp khác để tìm hệ số hiệu suất lý thuyết [1-4] Việc phân tích đánh giá hiệu suất máy lạnh hấp thụ thông qua nhiệt độ, áp suất, nồng độ, entanpy điểm trạng thái hệ thống Hệ số hiệu suất (COP) máy lạnh hấp thụ xác định theo nhiệt độ hoạt động bay hơi, hấp thụ, ngưng tụ, phát sinh không thuận nghịch trình truyền nhiệt Theo nhiều nghiên cứu, kết luận chung rút là: COP giảm nhiệt độ hấp thụ nhiệt độ ngưng tụ tăng, nhiệt độ bay giảm, không thuận nghịch tăng Biến đổi COP theo nhiệt độ phát sinh NH3 xem xét để tìm nhiệt độ phát sinh tối ưu Tại nhiệt độ phát sinh tối ưu COP máy lạnh hấp thụ đạt cực đại Ngồi thiết kế kết cấu, diện tích trao đổi nhiệt, cách bố trí hệ thống; máy lạnh hấp thụ thường hoạt động điểm thiết kế thay đổi yêu cầu làm lạnh điều kiện bên Nhiệt độ bay NH3 yêu cầu nhiệt độ làm lạnh tải lạnh định Nhiệt độ ngưng tụ NH3 nhiệt độ lưu lượng nước giải nhiệt định Nhiệt độ hấp thụ NH3 vào dung dịch loãng NH3-H2O nhiệt độ lưu lượng nước giải nhiệt; lưu lượng, nồng độ, nhiệt độ dung dịch loãng vào hấp thụ; lưu lượng nhiệt độ dòng NH3 vào hấp thụ định Nhiệt độ phát sinh chất lượng nhiệt, tính ổn định nguồn nhiệt cấp, thay đổi nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ hấp thụ định Nhiệt độ phát sinh thay đổi làm cho COP máy lạnh hấp thụ thay đổi TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ K1-2017 43 Hình Sơ đồ thiết kế máy lạnh hấp thụ NH3-H2O Máy lạnh hấp thụ nhà khoa học Việt Nam tập trung nghiên cứu theo hướng ứng dụng để sản xuất nước đá Bài báo trình bày mô hệ thống lạnh hấp thụ NH3-H2O hoạt động theo phạm vi nhiệt độ hoạt động phận: bay hơi, ngưng tụ, hấp thụ, phát sinh để quan sát nhiệt độ khởi động, nhiệt độ cắt hệ thống minh họa đường đặc tính Kết nghiên cứu đạt được:  Ứng dụng sản xuất nước đá theo điều kiện khí hậu TP Hồ Chí Minh  Xây dựng phương trình tính nhiệt độ phát sinh tối ưu theo mối tương quan với nhiệt độ ngưng tụ, hấp thụ, bay phận hệ thống MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM Thiết kế máy lạnh hấp thụ Hình trình bày sơ đồ thiết kế máy lạnh hấp thụ NH3-H2O Các phương trình cân lượng, cân lưu lượng khối lượng dòng lưu chất, độ chênh nhiệt độ trung bình log dùng để tính diện tích trao đổi nhiệt phận hệ thống thực Mơ hình tốn phát triển để phân tích hiệu suất cho hệ thống thí nghiệm điển hình Hình Đồ thị i-C máy lạnh hấp thụ thiết kế Các điểm trạng thái trình bày đồ thị iC máy lạnh hấp thụ Quá trình 6-7-8 thể mạch dung dịch loãng, Quá trình 2-3-4 thể mạch dung dịch đậm đặc, Quá trình 10-11-12-13-1 thể mạch làm lạnh dòng NH3 gần tinh khiết Điểm NH3 rời khỏi bình phát sinh kéo theo nhiều nước ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống Lượng nước bị kéo theo cần phải tách khỏi NH3 nhờ cột chiết tách Vì thế, hầu hết lượng nước hỗn hợp tách từ làm mát ngưng tụ, sau trở lại bình phát sinh trạng thái Kết dòng NH3 trạng thái 10 gần tinh khiết vào bình ngưng theo hình 44 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 20, No.K1- 2017 Tốc độ truyền nhiệt (Qi) [5, 6, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15] j Qi   1  m i in   m i out  (1)  1 m in   1 m out (2) i Hình Nước đá từ mơ hình nghiên cứu Hình 3, Khối nước đá sản xuất từ mơ hình máy lạnh hấp thụ theo sơ đồ thiết kế hình Mơ hình tốn thiết lập để phân tích hiệu suất hệ thống thực nghiệm tính tốn điển hình Nhiệt độ áp suất lưu chất làm việc dựa giá trị thiết kế kết hợp với đo đạc thực nghiệm mơ hình máy lạnh hấp thụ hồn chỉnh hoạt động ổn định Các phương trình nhiệt động phận đảm bảo cân lượng khối lượng Sự phân tích thể tích kiểm tra phận (bình phát sinh, cột chiết tách, bình ngưng tụ, bay hơi, hấp thụ, trao đổi nhiệt dung dịch, bơm dung dịch, van tiết lưu dung dịch loãng, van tiết lưu mơi chất lạnh) Hình trình bày lưu đồ thuật tốn tốn mô máy lạnh hấp thụ giải ngơn ngữ lập trình MATLAB j Trong đó: i- Entanpy riêng (kJ/kg) m -Lưu lượng khối lượng (kg/s) Hệ số entanpy Hoạt động hệ thống đánh giá theo phương trình hệ số entanpy [8]:   i  il   iv  i  (3) Trong đó, i entanpy lưu chất theo áp suất cho trước; il iv entanpy lưu chất lỏng bão hòa bão hòa áp suất Từ định nghĩa χ, biết trạng thái lưu chất sau: χ < lạnh, χ = lỏng bão hòa, 0< χ < hai pha, χ = bão hòa, χ > nhiệt Hiệu suất hệ thống [5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15] Hiệu suất nhiệt hệ thống (COP) tỉ số nhiệt lượng thu từ môi trường cần làm lạnh thông qua bay so với nhiệt cấp vào bình phát sinh để vận hành chu trình COP= Qe Qg (4) Trong đó: Qe Cơng suất lạnh (kW) Qg Cơng suất nhiệt cấp vào bình phát sinh (kW) Các hệ số nhiệt động Trạng thái cân NH3 theo áp suất, nhiệt độ, entanpy trạng thái bão hịa [6] Các thơng số nhiệt động nhiệt vật lý dung dịch tính theo AAZatorski proposal [7] Bội số tuần hoàn λ tỉ số lưu lượng khối lượng dung dịch loãng lưu lượng khối lượng dịng mơi chất lạnh [6, 7]  mws C10  Cw  m1 Cs  C w (5) Trong đó, mws m1 lưu lượng khối lượng dung dịch loãng mơi chất lạnh, (lít/phút) C10, Cw, Cs nồng độ khối lượng điểm trạng thái 10, nồng độ dung dịch loãng, nồng độ dung dịch đậm đặc Hình Lưu đồ thuật tốn TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ K1-2017 Điểm 10 11 12 13 NH3-H2O NH3 NH3-H2O NH3-H2O NH3-H2O NH3-H2O NH3-H2O NH3-H2O NH3-H2O H2O NH3 NH3 NH3 NH3 45 Bảng Các điểm trạng thái mơ hình máy lạnh hấp thụ thiết kế p (bar) t (oC) C h (kJ/kg) m (kg/s) 2 13,7 13,63 13,6 13,57 13,5 2,02 13,6 13,55 13,5 2,13 2,02 -1 38 41,9 96,48 115,7 107,6 47 47,18 102,8 102,8 34,6 -19 -19 0,996 0,348 0,348 0,348 0,913 0,284 0,284 0,284 0,995 0,995 0,995 0,995 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tính cho điều kiện cụ thể Theo điều kiện môi trường TP Hồ Chí Minh nguồn nhiệt cấp vào đáp ứng nhu cầu làm nước đá Theo sơ đồ thiết kế hình 1, liệu đầu vào: nhiệt độ ngưng tụ NH3 (tc= 34,5 oC), nhiệt độ hấp thụ dung dịch NH3-H2O đậm đặc rời khỏi hấp thụ (ta= 38oC), nhiệt độ bay NH3 bay (te= -19 oC), công suất điện cấp vào Psupply= 3,76 kW, nhiệt độ phát sinh dung dịch bình phát sinh t g= 118 oC Tính chất nhiệt động trạng thái khác hệ thống thể bảng Tải nhiệt phận: bay hơi, ngưng tụ, hấp thụ, phát sinh, cột chiết tách, công suất bơm dung dịch, hệ số hiệu suất nhiệt hệ thống Qe= 1,65 kW; Qc= 1,94 kW; Qa= 3,29 kW; Qg= 3,687 kW; Qd= 0,41 kW; Qp_out= 0,3 kW; COPth= 0,45 Bội số tuần hoàn λ= 11 Thí nghiệm thực cho máy lạnh hấp thụ hồn chỉnh hoạt động ổn định 3.2 Mơ nhiệt độ vận hành hệ thống Sự thay đổi hệ số hiệu suất theo nhiệt độ vận hành dung dịch NH3-H2O bình phát sinh với nhiệt độ bay yêu cầu môi chất lạnh NH3 bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ mơi chất lạnh NH3 bình ngưng tụ, nhiệt độ dung dịch NH3-H2O khỏi hấp thụ lần lược thể qua hình 5, 6, Trong trường hợp thay đổi nhiệt độ bay môi chất lạnh bay hơi, nhiệt độ dung dịch phát sinh tăng làm cho COP tăng nhanh đạt cực đại Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ phát sinh COP giảm Nhiệt độ bay 1287,6 -106,16 -87,66 159,201 1584,5 249,53 -22,38 -22,38 426,97 1481,9 1574,73 1574,73 1250 0,0015 0,0163 0,0163 0,0163 0,0017 0,0148 0,0148 0,0148 0,000226 0,0015 0,0015 0,0015 0,0015 χ 1,0281 -0,1421 -0,0177 1,1354 -0,1596 -0,0062 1,161 0,184 Trạng thái Hơi nhiệt Lỏng lạnh Lỏng lạnh Lỏng lạnh Hơi nhiệt Lỏng bão hòa Lỏng lạnh Lỏng lạnh Lỏng bão hòa Hơi nhiệt Lỏng bão hòa Hai pha Hơi bão hịa thấp, hệ thống có nhiệt độ phát sinh khởi động cao, COP cực đại thấp Theo hình 5, tc= 32oC; ta=33oC Nhiệt độ phát sinh tối ưu đạt tg_opt= [97, 107, 113, 117, 123] (oC) tương ứng với hệ số hiệu suất nhiệt tối ưu COP opt= [0,5285; 0,4922; 0,4743; 0,4577; 0,4420] nhiệt độ bay te= [-5, -11, -14, -17, -20] (oC) Hình COP nhiệt độ phát sinh nhiệt độ bay Trong trường hợp thay đổi nhiệt độ ngưng tụ ngưng tụ, nhiệt độ dung dịch phát sinh tăng làm cho COP tăng nhanh đạt cực đại Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ phát sinh COP giảm Nhiệt độ ngưng tụ thấp, hệ thống có nhiệt độ phát sinh khởi động thấp, COP cực đại cao Theo hình 6, te= -16 oC; ta= 33 o C Nhiệt độ phát sinh tối ưu đạt t g_opt= [109; 112; 114; 117; 119] (oC) tương ứng với hệ số hiệu suất nhiệt tối ưu COPopt= [0,4748; 0,4690; 0,4637; 0,4578; 0,4519] nhiệt độ ngưng tụ NH3 tc= [28; 30; 32; 34; 36] (oC) 46 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 20, No.K1- 2017 Hình COP nhiệt độ phát sinh nhiệt độ ngưng tụ Trong trường hợp thay đổi nhiệt độ hấp thụ dung dịch khỏi hấp thụ, nhiệt độ dung dịch phát sinh tăng làm cho COP tăng nhanh đạt cực đại Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ phát sinh COP giảm Ứng với nhiệt độ hấp thụ thấp, hệ thống có nhiệt độ phát sinh khởi động thấp, COP cực đại cao Theo hình 7, tc= 32 oC; te= -16 oC Nhiệt độ phát sinh tối ưu đạt tg_opt= [109; 111; 114; 116; 119] ( oC) tương ứng với hệ số hiệu suất nhiệt tối ưu COP opt= [0,4771; 0,4714; 0,4665; 0,4606; 0,4554] nhiệt độ hấp thụ dung dịch NH3-H2O đậm đặc khỏi hấp thụ ta= [28; 30; 32; 34; 36] (oC) (oC) lớn giai đoạn theo lý thuyết máy lạnh hấp thụ làm việc chế độ nhiệt độ làm lạnh cao COP lớn COP Exp có từ chế độ nhiệt độ làm lạnh thấp (chế độ làm nước đá) COPtheory giảm xuống dần nhiệt độ nước muối giảm phù hợp với COPExp tNaCl=-10 ÷-19 (oC) COPtheory thiết lập theo điều kiện làm nước đá giai đoạn này, phù hợp điều kiện làm nước đá theo COPExp So sánh số liệu trình bày tài liệu [8] có sai số 2% đường đặc tính COP gần trùng So với tài liệu [9] sai số 7% Tương tự, Các đồ thị mô phù hợp với tài liệu [6], [10], [11], [12], [13], [14]; điều kiện mô khác phạm vi ảnh hưởng nhiệt độ phận hệ thống khơng hồn tồn tương đương kết mô tương đồng cho thấy kết chương trình hồn tồn hợp lý Độ sai lệch kết mơ máy lạnh hấp thụ NH3-H2O so với kết thực nghiệm xác định thông qua hệ số hiệu suất nhiệt hệ thống (COP) 3.4 Xác định nhiệt độ phát sinh tối ưu Mối tương quan nhiệt độ phát sinh tối ưu theo nhiệt độ ngưng tụ, hấp thụ, bay phận hệ thống thiết lập phương pháp hồi quy đa biến Phương trình ứng dụng phạm vi nhiệt độ: bay môi chất lạnh bay hơi, ngưng tụ mơi chất lạnh bình ngưng tụ, hấp thụ dung dịch khỏi hấp thụ, phát sinh dung dịch bình phát sinh (-20 oC < te < -10 oC, 30 oC < tc < 35 oC, 30 oC < ta < 38 oC, 95 oC < tg