TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 332 LÀM LẠNH GIÁN ĐOẠN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI INTERMITTENT SOLAR-POWERED REFRIGERATION UNITS Phan Quang Xưng Đại học Đà Nẵng Nguyễn Quốc Long Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế TÓM TẮT Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng sạch và tiềm năng nhất đang được loài người thực sự đặc biệt quan tâm. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự. Song trong điều kiện thực tiễn, các thiết bị s ử dụng NLMT lại có quá trình làm việc không ổn định và không liên tục, hoàn toàn biến động theo thời tiết. Chính vì vậy trong bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu, chế tạo mô hình máy lạnh sử dụng năng lượng mặt trời với cặp môi chất là CaCl 2 và NH 3 . ABSTRACT Solar energy is a potential resource for future energy supply because it is not only clean, but also a remarkable abundance. Therefore, research on this energy increases the efficiency of solar energy units and implementing it in practical applications are burning issues. However, in real conditions, solar energy units are unstable, intermittent and changeable depending on the weather. For this reason, this article presents the research result in making the solar-powered intermittent refrigeration unit model with a pair of substances: CaCl 2 and NH 3 . 1. Đặt vấn đề Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và NLMT là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với những nước phát triển mà ngay cả với những nước đang phát triển. Do đó, nghiên cứu, chế tạo máy lạnh sử dụng trực tiếp nguồn NLMT không gây ô nhiểm môi trường, giảm phát thải CO 2 và không có chất CFC gây phá huỷ tầng ôzôn có giá thành phù hợp là cần thiết trong giai đoạn hiện nay khi mà giá nhiên liệu hóa thạch không ngừng tăng cao. Trong bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thực nghiệm mẫu máy lạnh sử dụng NLMT với cặp môi chất CaCl 2 /NH 3 , thiết bị này có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như: làm đá, bảo quản thực phẩm và điều hòa không khí. 2. Hệ thống máy lạnh dùng trong điều hòa không khí 2.1. Mô tả và nguyên lý làm việc của hệ thống Hệ thống máy lạnh dùng NLMT bao gồm thiết bị hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời, trong đó có chứa CaCl 2 , thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí đối lưu tự nhiên và thiết bị bay hơi thiết kế để làm lạnh nước, nước được chứa trong bình và được TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 333 bơm cấp đi đến dàn trao đổi nhiệt. Ngoài ra còn có van chặn bình chứa môi chất lỏng và van tiết lưu. Máy lạnh NLMT thường làm việc theo kiểu gián đoạn. Vào ban ngày khi collector nhận năng lượng mặt trời ta phải mở van chặn 3, đóng van chặn 2, 6 và van tiết lưu 7. Trong giai đoạn này, dưới tác động của các tia bức xạ mặt trời, tác nhân lạnh sẽ bốc hơi khỏi CaCl 2 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 collector giảm, CaCl 2 làm nhiệm vụ hấp thụ môi chất lạnh NH 3 , 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 CaCl 2 hấp thụ. Trong giai đoạn này cần chú ý để thiết bị hấp thụ được giải nhiệt dễ dàng vì đây là quá trình sinh nhiệt. Hình 1. Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp phụ sử dụng năng lượng mặt trời 1-collector; 2,3,6-van chặn; 4-thiết bị ngưng tụ; 5-bình chứa;7-van tiết lưu; 8-dàn bay hơi 2.2. Mô tả các quá trình làm việc Quá trình làm việc của hệ thống có thể trình bày trên đồ thị p, T hình 2. 1 2 4 3 P T Ta1 Tg1 Ta2 Po Pk Tg2 Hình 2. Các quá trình nhiệt của máy lạnh hấp phụ loại gián đoạn trên đồ thị p-T Chu trình máy lạnh CaCl 2 /NH 3 là chu trình gián đoạn (intermittent), do đó chu trình có hai quá trình: 1 6 7 5 4 8 2 3 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 334 Quá trình cấp nhiệt: 1-2 Quá trình bộ thu hấp thụ năng lượng mặt trời, CaCl 2 nhả môi chất lạnh NH 3 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 CaCl 2 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 CaCl 2 hấp thụ hết nên áp suất hệ thống hầu như không đổi P o , nhiệt độ hơi môi chất trước lúc bị hấp thụ giảm dần đến nhiệt độ T a2 . 3. Thiết kế hệ thống máy lạnh sử dụng cho điều hòa không khí Để thiết kế hệ thống máy lạnh sử dụng trong điều hòa không khí cho phòng có diện tích 3m 2 thì ta tính toán thiết kế các thiết bị chính của hệ thống: Tính nhiệt thiết bị bay hơi: là tính toán diện tích của dàn bay hơi và lượng môi chất cần thiết phải nạp vào hệ thống. Sau khi tính toán lượng nhiệt thừa, ẩm thừa trong không gian điều hòa và chọn sơ đồ thẳng thì tính toán được công suất lạnh Q 0 = 238,6kW. Tính lưu lượng nước bơm cấp cho dàn trao đổi nhiệt bằng công thức: tCmQ no ∆ = , kW Trong đó: C n : nhiệt dung riêng của nước, Kkg J . t∆ : hiệu nhiệt độ của nước vào ra, o C Q o : năng suất lạnh của thiết bị, W Nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho dàn bay hơi trong suốt thời gian làm việc của hệ thống: Q’ = Q 0 . τ, J Từ đó ta có thể suy ra lượng NH 3 cần cung cấp cho hệ thống là: r Q M mc ' = , kg Trong đó: r: nhiệt ẩn hoá hơi của NH 3 , J/kg Tính toán diện tích của dàn bay hơi được tính theo công thức: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 335 Q o = F. ),.( 21 ww td tt − δ λ W Trong đó: td λ : hệ số dẫn nhiệt tương đương được xác định theo công thức sau: td λ = k ε λ . δ : chiều dày khe hẹp, m λ : hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng, Km. W 21 , ww tt : nhiệt độ lớp bề mặt chất lỏng sát bề mặt hai biên, o C k ε : hệ số đối lưu, được xác định theo công thức. Hình 3. Cấu tạo dàn bay hơi Tính toán thiết bị ngưng tụ Trong tính toán thiết kế, đã chọn dàn ngưng tụ trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiện. Do đó nhiệt độ ngưng tụ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường không khí làm mát của thiết bị ngưng tụ nên phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết. Tuy nhiên hệ thống là không phải tốn thêm nguồn năng lượng để làm mát nên giảm chi phí đầu tư. Do đó hiệu nhiệt độ ngư ng tụ (t k giữa môi chất lạnh ngưng tụ và không khí chọn (t K = t k - t mt = 15 o C) Diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ tính theo công thức: , [m 2 ] 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, W/m 2 . o K với k được tính theo công thức sau: 221 . 11 1 εαλ δ α ++ =k Trong đó: ε 2 : hệ số làm cánh α 1 : hệ số toả nhiệt của môi chất trong ống khi ngưng, W/m 2 . o K . Q k F kt = ∆ N H3 vào 400 300 30 N H3 ra TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 336 α 2 : hệ số toả nhiệt về phía không khí, W/m 2 . o K F - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của dàn ngưng, m 2 Sau khi chọn đường kính ống và chiều dài ống ta tính toán và bố trí kích thước thiết bị ngưng tụ như hình vẽ. 900 590 50 1 2 3 Hình 4. Cấu tạo thiết bị ngưng tụ 1. Ống góp; 2. Ống ngưng môi chất; 3. Cánh tản nhiệt Các thông số đo được khi hệ thống máy lạnh làm việc Thí nghiệm được tiến hành nhiều ngày để quan sát và đo đạc các thông số như: nhiệt độ, áp suất của hệ thống từ đó tính toán được RE và COP của hệ thống. Hình 5. Đồ thị quá trình thay đổi nhiệt độ của bộ thu và nhiệt độ môi trường TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 337 Hình 6. Đồ thị quá trình thay đổi nhiệt độ của nước, phòng lạnh, môi trường Tính hiệu suất của thiết bị: Gọi m là khối lượng nước được làm lạnh trong dàn bay hơi, nhiệt ẩn hoá hơi (ngưng tụ) của nước là r, hệ số hiệu quả làm lạnh được định nghĩa là tỷ số giữa năng lượng có ích trên năng lượng toàn phần nhận được từ mặt trời: COP = ∫ = l m e h e dttGA Q Q Q )(. Ở đây: Q e là nhiệt cần thiết cho dàn bay hơi để làm lạnh nước chứa trong thùng. Q h là tổng bức xạ mặt trời thu được từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời lặn. Sau khi đo đạc và tính toán chỉ số COP = 0,1. Mặc dù hệ số này không cao một phần do sử dụng một số vật liệu chưa thích hợp và trong quá trình đo đạc, tính toán có sai số. Để tính chính xác hơn nên dùng nhật xạ kế để đo, sau khi đo các thông số cần thiết tra trên đồ thị lgP-h từ đó tra được các thông số cần thiết. 4. Kết luận Với những kiến thức còn mới về máy lạnh sử dụng NLMT, ứng dụng cơ sở lý thuyết của nó, và lý thuyết NLMT, chúng tôi đã nghiên cứu và thiết kế chế tạo máy lạnh sử dụng trong điều hòa không khí với điều kiện Việt Nam: Các nguyên vật liệu dễ kiếm như: CaCl 2 , NH 3 , dễ chế tạo hàng loạt. Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm, chúng tôi hoàn toàn có thể ứng dụng NLMT 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. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 338 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] Võ Chí Chính, Đinh Văn Thuận, Máy và thiết bị lạnh, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2002. [4] Nguyễn Duy Thiện, Kỹ thuật sử dụng năng lượng mặt trời, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội, 2001. [5] Catherine Hildbrand, Philippedind, Michel Pons, Plorion Buchter, A new solar powered adsorption refrigerator with high performance, Switzerland, 2002.