THIẾT KẾ MÁY LẠNH HẤP THỤ NH3 – H2O LOẠI GIÁN ĐOẠN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐỂ SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ Chương 1+2+3+4

LỜI NÓI ĐẦU …………………………………………………………………………………………………………………………………….ii NHIỆM VỤ LUẬN VĂN …………………………………………………………………………………………………………………...v TÓM TẮT LUẬN VĂN…………………………………………………………………………………………………………………….. vii DANH SÁCH HÌNH VẼ……………………………………………………………………………………………………………………. viii DANH SÁCH BẢN BIỂU…………………………………………………………………………………………………………………… xii MỤC LỤC 1 CHƯƠNG I: HIỆN TRẠNG VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI 6 1.1 Tổng quan về bức xạ mặt trời 6 1.2 Đo cường độ năng lượng mặt trời: 13 1.3 Ưu nhược điểm của năng lượng mặt trời: 13 1.4 Tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam: 14 1.5 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới và ở Việt Nam 17 1.5.1 Pin mặt trời: 17 1.5.2 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời 19 1.5.3 Thiết bị sấy khi dùng mặt trời 21 1.5.4 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời 21 1.5.5 Thiết bị chưng cất dùng năng lượng mặt trời: 22 1.5.6 Thiết bị đun nóng bằng năng lượng mặt trời 23 1.5.7 Thiết bị lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượng mặt trời. 24 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MÁY LẠNH HẤP THỤ 25 2.1 Khái niệm chung 25 2.2 Cơ sở lý luận nhiệt động 27 2.2.1 Chu trình Carnot 27 2.2.2 Entropy và exergy 28 2.3 Các chu trình lý tưởng liên quan đến khái niệm hấp thụ 30 2.4 Chu trình lý thuyết của máy lạnh hấp thụ: 38 2.5 Ưu nhược điểm của máy lạnh hấp thụ: 41 2.6 Dung dịch làm việc trong máy lạnh hấp thụ 43 2.7 Máy lanh hấp thụ năng lượng mặt trời 45 CHƯƠNG III : MÁY LẠNH HẤP THỤ NH3 – H2O 48 3.1 Nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ NH3 – H2O 48 3.2 Đồ thị i – c 49 3.3 Một số công thức liên quan đến dung dịch NH3 – H2O 51 3.4 Các hệ thống máy lạnh hấp thụ NH3 – H2O sản xuất nước đá vận hành bằng năng lượng mặt trời đã thực hiện 53 3.5 Máy lạnh hấp thụ NH3 – H2O cấp nhiệt bằng năng lượng mặt trời 57 3.5.1 Nguyên lý hoạt động 57 3.5.2 Máy lạnh hấp thụ NH3 – H2O loại liên tục cấp nhiệt bằng năng lượng mặt trời 57 3.5.3 Máy lạnh hấp thụ NH3 – H2O loại gián đoạn cấp nhiệt bằng năng lượng mặt trời 59 3.5.4 So sánh giữa chu trình liên tục và chu trình gián đoạn 61 CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 62 4.1 Tính toán thiết kế: 62 4.1.1 Chọn thông số ban đầu 62 4.1.2 Xác định năng suất lạnh 62 4.1.3 Xác định áp suất ngưng tụ 63 4.1.4 Xác định áp suất bay hơi 63 4.1.5 Xác định phụ tải lạnh 63 4.1.6 Xác định thể tích bình chứa NH3 sau khi ngưng tụ 64 4.1.7 Xác định phụ tải nhiệt ngưng tụ 64 4.1.8 Tính năng suất lạnh của dàn lạnh 65 4.1.9 Chọn nồng độ dung dịch đậm đặc và nồng dộ dung dịch loãng. 65 4.1.10 Tính khối lượng dung dịch chứa trong collector 66 4.2 Tính toán thông số trạng thái của dung dịch tại các thời điểm: 67 4.2.1 Các quá trình của dung dịch trong collector: 68 4.2.2 Tính toán các thông số trạng thái tại các điểm trên chu trình: 71 4.2.3 Mô tả quá trình làm việc của máy lạnh hấp thụ NH3H2O loại gián đoạn trên đồ thị : 75

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ……….ii

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN ……… v

TÓM TẮT LUẬN VĂN……… vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ……… viii

DANH SÁCH BẢN BIỂU……… xii

MỤC LỤC 1

CHƯƠNG I: HIỆN TRẠNG VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI 6

1.1 Tổng quan về bức xạ mặt trời 6

1.2 Đo cường độ năng lượng mặt trời: 13

1.3 Ưu nhược điểm của năng lượng mặt trời: 13

1.4 Tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam: 14

1.5 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới và ở Việt Nam 17

1.5.1 Pin mặt trời: 17

1.5.2 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời 19

1.5.3 Thiết bị sấy khi dùng mặt trời 21

1.5.4 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời 21

1.5.5 Thiết bị chưng cất dùng năng lượng mặt trời: 22

1.5.6 Thiết bị đun nóng bằng năng lượng mặt trời 23

1.5.7 Thiết bị lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượng mặt trời 24

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MÁY LẠNH HẤP THỤ 25

2.1 Khái niệm chung 25

2.2 Cơ sở lý luận nhiệt động 27

2.2.1 Chu trình Carnot 27

2.2.2 Entropy và exergy 28

2.3 Các chu trình lý tưởng liên quan đến khái niệm hấp thụ 30

2.5 Ưu nhược điểm của máy lạnh hấp thụ: 41

2.6 Dung dịch làm việc trong máy lạnh hấp thụ 43

2.7 Máy lanh hấp thụ năng lượng mặt trời 45

CHƯƠNG III : MÁY LẠNH HẤP THỤ NH 3 – H 2 O 48

3.1 Nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ NH 3 – H 2 O 48

3.2 Đồ thị i – c 49

3.3 Một số công thức liên quan đến dung dịch NH3 – H2O 51

3.4 Các hệ thống máy lạnh hấp thụ NH 3 – H 2 O sản xuất nước đá vận hành bằng năng lượng mặt trời đã thực hiện 53

3.5 Máy lạnh hấp thụ NH 3 – H 2 O cấp nhiệt bằng năng lượng mặt trời 57

3.5.1 Nguyên lý hoạt động 57

3.5.2 Máy lạnh hấp thụ NH3 – H2O loại liên tục cấp nhiệt bằng năng lượng mặt trời 57

3.5.3 Máy lạnh hấp thụ NH 3 – H 2 O loại gián đoạn cấp nhiệt bằng năng lượng mặt trời 59 3.5.4 So sánh giữa chu trình liên tục và chu trình gián đoạn 61

CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 62

4.1 Tính toán thiết kế: 62

4.1.1 Chọn thông số ban đầu 62

4.1.2 Xác định năng suất lạnh 62

4.1.3 Xác định áp suất ngưng tụ 63

4.1.4 Xác định áp suất bay hơi 63

4.1.5 Xác định phụ tải lạnh 63

4.1.6 Xác định thể tích bình chứa NH 3 sau khi ngưng tụ 64

4.1.7 Xác định phụ tải nhiệt ngưng tụ 64

4.1.8 Tính năng suất lạnh của dàn lạnh 65

4.1.9 Chọn nồng độ dung dịch đậm đặc và nồng dộ dung dịch loãng 65

4.1.10 Tính khối lượng dung dịch chứa trong collector 66

4.2 Tính toán thông số trạng thái của dung dịch tại các thời điểm: 67

4.2.1 Các quá trình của dung dịch trong collector: 68

4.2.2 Tính toán các thông số trạng thái tại các điểm trên chu trình: 71

4.2.3 Mô tả quá trình làm việc của máy lạnh hấp thụ NH3 − H2O loại gián đoạn trên đồ thị :

75

CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ COLLECTOR 81

5.1 Collector tấm phẳng 81

5.2 Collector dạng ống hút chân không 83

5.3 Collector dạng tập trung 84

5.4 Phân tích lựa chọn phương án 85

5.5 Tính toán kích thước của collector: 87

5.6 Nhiệt lượng cần cung cấp cho collector 90

5.6 1 Nhiệt lượng cần thiết để làm cho 2,02 kg NH 3 bay hơi 90

5.6.2 Tổn thất nhiệt của collector: 92

5.6.2.1 Tổn thất nhiệt ở phía trên của collector 92

5.6.2.2 Tổn thất nhiệt phía dưới: 94

5.7 Bức xạ trung bình collector nhận được trong một ngày 94

5.8 Tính kiểm tra khả năng giải nhiệt vào ban đêm của collector 95

CHƯƠNG VI: CÁC DẠNG THIẾT BỊ NGƯNG TỤ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 98

6.1 Phân loại thiết bị ngưng tụ: 98

6.1.1 Bình ngưng ống chùm nằm ngang 98

6.1.2 Bình ngưng ống vỏ thẳng đứng: 102

6.1.3 Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống 103

6.1.4 Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản 105

6.2 Thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước và không khí 106

6.2.1 Thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi 107

6.2.2 Dàn ngưng kiểu tưới 108

6.3 Dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí 110

6.3.1 Dàn ngưng đối lưu tự nhiên: 110

6.3.2 Dàn ngưng đối lưu cưỡng bức: 111

6.4 Tính toán thiết kế thiết bị ngưng tụ: 112

CHƯƠNG VII : CÁC DẠNG THIẾT BỊ BAY HƠI VÀ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ BAY HƠI 118

7.1 Phân loại thiết bị bay hơi: 118

7.2 Thiết bị bay hơi làm lạnh chất lỏng 119

7.2.1 Bình bay hơi làm lạnh chất lỏng: 119

7.2.2 Dàn lạnh panen 121

7.2.3 Dàn lạnh xương cá: 122

7.2.4 Dàn lạnh tấm bản: 123

7.3 Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí 124

7.3.1 Dàn lạnh đối lưu tự nhiên 124

7.3.2 Dàn lạnh đối lưu cưỡng bức 125

7.4 Thiết kế thiết bị bay hơi 126

7.4.1 Cấu tạo 126

7.4.2 Nguyên lý làm việc 127

7.4.3 Tính diện tích trao đổi nhiệt trong dàn bay hơi: 127

7.4.4 Kích thước khuôn đá và bể đá: 132

CHƯƠNG VIII: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỂU KHIỂN TỰ ĐỘNG CHO MÁY LẠNH HẤP THỤ LOẠI GIÁN ĐOẠN 134

8.1 Mô tả chung: 136

8.2 Lắp đặt 138

8.3 Kết nối: 139

8.3.1 Kết nối điện 139

8.3.2 Kết nối đầu dò 140

8.4 Các phương án điều khiển: 141

8.4.1 Phương án 1: 141

8.4.2 Phương án 2: 143

8.4.3 Phương án 3: 144

CHƯƠNG I: HIỆN TRẠNG VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI

1.1 Tổng quan về bức xạ mặt trời

Mặt trời là một quả cầu khổng lồ có đường kính 1392.106 km cách trái đất khoảng 149,6.106 km, nhiệt độ tại bề mặt khoảng 5800K [TL11] Tại tâm mặt trời nhiệt độ có thể lên đến 15 triệu độ và áp suất khoảng hàng trăm triệu atm Ở nhiệt

độ và áp suất này các hạt nhân nguyên tố nhẹ như Hydro thu được động năng lớn

đủ để thắng lực đẩy tĩnh điện và kết hợp chắt với nhau tạo thành hạt nhân Heli ( được gọi là phản ứng nhiệt hạt nhân hay sự nổ hạt nhân) Chính phản ứng này đã giải phóng ra một năng lượng vô cùng lớn duy trì hoat động của mặt trời

Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3% Bức xạ 𝛾 ban đầu khi đi qua 5.105 km chiều dày của lớp vật chất mặt trời, bị biến đổi rất mạnh Tất cả các dạng của bức xạ điện từ dều có bản chất sáng và chúng khác nhau ở bước sóng Sóng 𝛾 là sóng ngắn nhất trong các sóng đó Từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơngen có bước sóng dài hơn Gần đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là một

phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1 – 10 𝜇𝑚 và hầu

như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 –

0,78 𝜇𝑚 đó là vùng thấy của phổ.đo

ở đây 𝜑𝐷−𝑇 là hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời

2

4 5,67

5762100

4

≈ 1353 𝑊/𝑚2

Do khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên 𝛽 cũng thay đổi do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn lắm nên có thể xem q là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tần ozone Hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp tới trái đất Đầu tiên oxy phân tử bình thường O2 phân ly thành oxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các photon bước sóng ngắn hơn 0,18 𝜇𝑚, do đó các photon ( xem bức xạ như các hạt rời rạc – photon) có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn Chỉ một phần các nguyên tử oxy kết hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tương tác với các phân tử oxy khác để tạo thành O3, ozon cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấp hơn so với oxy, dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32𝜇𝑚, sự pân tách O3 thành O2 xảy ra Như vậy hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2, O3 đó là một quá trình ổn định Do quá trình này khi đi qua khí quyển, bức xạ

tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn

Hình 1.3 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái

đất

Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng

và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời

trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cacbonic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thượng vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ

Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng ( không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2

Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên trái đất là quãng đường nó đi qua Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý

Phân bố cường độ bức xạ đơn sắc 𝐸0𝜆(𝜆) của mặt trời được xác định theo định luật Planck, có dạng:

𝐸0𝜆 = 𝐶1 𝜆

5

𝑒𝜆𝑇−1𝐶2

Hình 1.4 : Phân bố 𝐸0𝜆(𝜆) của mặt trời

Diện tích phía dưới đường cong sẽ mô tả cường đọ bức xạ toàn phần E0 của mặt trời Phần công suất mang tia sáng (AS) thấy được là:

1.2 Đo cường độ năng lượng mặt trời:

Ngoài các phương pháp xác định cường độ bức xạ mặt trời tại một điểm bất

kỳ dựa trên vị trí địa lý bằng các công thức tính toán, trong thực tế người ta đã chế tạo các dụng cụ đo cường độ bức xạ mặt trời ( pyheliometer – đo bức trực xạ và pyranometer – đo tổng xạ)

Hình 1.5 Dụng cụ đo cường độ bức xạ mặt trời

1.3 Ưu nhược điểm của năng lượng mặt trời:

- Ưu điểm

+ Có thể thay thế các nguồn năng lượng hiện đang sử dụng

+ Là nguồn năng lượng tự nhiên và dồi dào

+ Là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường

Tuy nhiên nó cũng có những nhược điểm là:

+ Chỉ có vào ban ngày

+ Cường đọ không cao lắm

+ Không ổn định

+ Chi phí đầu tư cao

1.4 Tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam:

Bức xạ mặt trời toàn cầu bao gồm 2 thành phần: thành phần bức xạ trực tiếp

và thành phần khuếch tán Bức xạ lớn nhất nhận được trên trái đất và khoảng

1000W/m2 trong những ngày nắng tốt Ở mỗi nơi khác nhau thì giá trị này cũng khác nhau, nó phụ thuộc vào vị trí địa lý và khí hậu tại mỗi khu vực.[TL8]

Đối với nước ta là nước có khi hậu nhiệt đới, gần đường xích đạo nên lượng bức xạ mặt trời trong năm là tương đối cao Thời gian chiếu sáng trung bình trong một năm là từ 2000 đến 2600 giờ, với mật độ nằm trong khoảng từ 420 đến

730kJ/cm2/năm Đặc biệc là ở các tỉnh phía Nam lượng bức xạ trung bình tương đối cao và không thay đổi nhiều

Nước ta nằm ở bán cầu bắc nhưng gần xích đạo cho nên cường độ bức xạ mặt trời cao và không thay đổi nhiều theo mùa Chúng ta hãy quan sát các số liệu trong bảng 1.1, ta thấy vào mùa hè thì cường độ bức xạ cao nhất, mùa đông cường

độ thấp nhất Điều này sẽ dễ dàng thấy được ở các tỉnh phía Bắc, riêng ở thành phố

Hồ Chí Minh do gần xích đạo nên không có sự phân biệt được các mùa trong năm nên lượng bức xạ thường cao và không thay đổi nhiều Ở bảng 1.1 ta thấy vào mùa khô ( tháng 1,2,3,4,5) thì bức xạ cao xong vào mùa mưa thì bức xạ mặt trời giảm xuống nhưng vẫn còn cao so với các khu vực khác

Bảng 1.1 : Cường độ bức xạ mặt trời trung bình hàng ngày ở một số khu vực trong nước

Đơn vị: kWh/m 2

/ngày

năm Tỉnh

1.5 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới và ở Việt Nam

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất và trên wuy

mô rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỉ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng lượng mặt trời, những vùng sa mạc [TL 11] Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973 Năng lượng mặt trời càng được đặc biệt qua tâm Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu, ứng dụng năng lượng mặt trời Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau:

xe thay thế dần nguông năng lượng truyền thống

Hình 1.6 Hệ thống Pin mặt trời

Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay khoản 5USD/Wp, nên ở những nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sau, xa nơi

mà đường điện quốc gia chưa có

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng xa, nhất là đồng bằng

sông Cửu Long và Tây Nguyên Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta

1.5.2 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời

Điện năng còn có thể tạo ra từ năng lượng mặt trời dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện

Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời có các loại hệ thống bộ thu chủ yếu sau đây:

Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đật tới 4000C

Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có định

vị theo phương mặt trời để tập trung năng lượng mặt trời đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể đạt tới trên 15000C

Hệ thống sử dụng gương parabol tròn xoay định vị theo phương mặt trời để tập trung năng lượng mặt trời vào một bộ thu đặt ở tiêu điểm của gương, nhiệt độ

có thể đạt trên 15000C

Hình 1.7 Nhà máy điện mặt trời

Hình 1.8 Tháp năng lượng mặt trời

Hiện nay người ta còn dùng năng lượng mặt trời để phát điện thao kiểu

“tháp năng lượng mặt trời” Australia đang tiến hành dự án xây dựng một tháp năng lượng mặt trời cao 1 km với 32 tuabin khí có tổng công suất 200MW Dự tính rằng đến năm 2006 tháp năng lượng mặt trời này sẽ cung cấp điện mỗi năm 650 GWh cho 200.000 hộ gia đình ở miền tây nam New South Wales – Australia, và sẽ giảm được 700.000 tấn khí gây hiệu ứng nhà kính trong mỗi năm

1.5.3 Thiết bị sấy khi dùng mặt trời

Hiện nay năng lượng mặt trời được ứng dụng khá phổ biến trong lĩnh vực nông nghiệp để sấy các sản phẩm như ngũ cốc, thực phẩm… nhằm giảm tỷ lệ hao hụt và tăng chất lượng sản phẩm Ngoài mục đích để sấy các loại nông sản, năng lượng mặt trời còn được dùng để sấy các loại vật liệu như gỗ

1.5.4 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời

Bếp năng lượng mặt trời được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước nhiều như các nước ở Châu Phi

Ở Việt Nam việc bếp năng lượng mặt trời cũng đã được sử dụng khá phổ biến Năm 2000, trung tâm nghiêng cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới – Đại học Đà Nẵng đã phối hợp với các tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án ( 30 000 USD) đưa bếp năng lượng mặt trời- bếp tiện lợi (BTL) vào sử dụng ở các vùng

nông thôn của tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi, dự án đã phát triển rất tốt và ngày càng được đông đảo nhân dân ủng hộ

Hình 1.9 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời

1.5.5 Thiết bị chưng cất dùng năng lượng mặt trời:

Thiết bị chưng cất thường có 2 loại: loại nắp kính phẳng có chi phí cao ( khoảng 23 USD/m2), tuổi thọ khoảng 30 năm, và loại nắp plastic có chi phí rẻ hơn nhưng hiệu quả chưng cất kém hơn

Ở Việt Nam đã có đề tài nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị chưng cất nước năng lượng mặt trời dùng để chưng cất nước ngọt từ nước biển và cung cấp nước sạch dùng cho sinh hoạt ở những vùng có nguồn nước ô nhiễm với thiết bị

chưng cất nước năng lượng mặt trời có gương phản xạ đạt được hiệu suất cao tại khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh- Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng

1.5.6 Thiết bị đun nóng bằng năng lượng mặt trời

Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của năng lượng mặt trời là dùng để đun nóng nước Các hệ thống nước nóng dùng năng lượng mặt trời

đã được dùng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới

Hình 1.10 Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời

Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời đã và đang được ứng dụng rộng rãi ở Hà Nội, Tp Hồ Chí Minh và Đà Nẵng Các hệ

thống này đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiên chương trình tiết kiệm năng lượng của nước ta và bảo vệ môi trường chung của nhân loại

1.5.7 Thiết bị lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượng mặt trời

Trong số những ứng dụng của năng lượng mặt trời thì làm lạnh và điều hòa không khí là ứng dụng hấp dẫn nhất vì nới nào khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh lớn nhất, đặc biệt là ở những vùng xa xôi hẻo lánh thuộc các nước đang phát triển không có lưới điện quốc gia và giá nhiêu liệu quá đắt so với thu nhập trung bình của người dân Với các máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng nhờ pin mặt trời là thuận tiện nhất, nhưng trong giai đoạn hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao Ngoài ra các hệ thống lạnh còn sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, loại thiết bị này ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiên hiện nay các hệ thống này vẫn chưa được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi vì giá thành còn rất cao và hơn nữa các bộ thu dùng trong các hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳng với hiệu suất còn thấp nên diện tích lắp đặt bộ thu cần rất lớn chưa phù hợp với yêu cầu thực tế

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MÁY LẠNH HẤP THỤ

2.1 Khái niệm chung

Như đã biết, điểm khác nhau cơ bản giữa máy lạnh hấp thụ và máy lạnh có máy nén hơi là năng lượng sử dụng và loại chất môi giới làm việc trong hệ thống [TL1] Máy lạnh có máy nén hơi sử dụng cơ năng, trong khi đó năng lượng cấp vào cho máy lạnh hấp thụ có dạng nhiệt năng Thông thường, trong kĩ thuật điều hòa không khí người ta dùng khí đốt, hơi nước hoặc nước nóng cấp cho máy lạnh hấp thụ Ở những nơi có điều kiện thuận tiện, người ta co thể dùng nước nóng và hơi nước thải ra từ các quá trình sản xuất hoặc dùng các nguồn nhiệt thải khác để cung cấp cho máy lạnh hấp thụ Hiện nay, trong xu thế hợp lý hóa việc sử dụng năng lượng và sử dụng năng lượng hiệu quả, người ta đang tìm cách thực hiện các biện pháp Cogeneration Chính máy lạnh hấp thụ là một trong các phương án kỹ thuật

rất thích hợp cho mục đích này

Không như máy lạnh có máy nén hơi, trong trường hợp máy lạnh hấp thụ, chất làm việc là dung dịch được trộn lẫn từ hai chất thuần khiết khác nhau Theo yêu cầu, hai chất thuần khiết này phải đảm bảo không tác dụng hóa học với nhau và phải có nhiệt độ sôi khá cách biệt nhau khi ở cùng điều kiện áp suất Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy khá nhiều loại dung dịch có thể làm việc trong máy

lạnh hấp thụ Tuy nhiên, về mặt thực tế, các dung dịch NH3 – H2O và H2O – LiBr được sử dụng rất phổ biến Cần phân biệt rõ, do tính chất nhiệt động, người ta dùng dung dịch NH3 – H2O khi cần làm lạnh dưới 00C và dùng dung dịch H2O – LiBr khi nhiệt độ cần làm lạnh lớn hơn 00C Chính do đặc điểm này, các máy lạnh hấp thụ trong kỹ thuật điều hòa không khí đều làm việc với dung dịch H2O – LiBr

Thực tế cho thấy, việc sử dụng dung dịch H2O – LiBr hoàn toàn không gây

ra bất cứ vấn đề gì môi trường Hiện nay, người ta dùng thuật ngữ thân thiện với môi trường để mô tả tính chất này Điểm đặc trưng của dung dịch H2O – LiBr là áp suất làm việc khá thấp Cụ thể, trong trường hợp của điều hòa không khí, mức áp suất cao và thấp trong máy lạnh hấp thụ H2O – LiBr loại Single Effect vào khoảng 9% và 0,9% so với áp suất khí quyển Như vậy, trong quá trình vận hành, không thể nào xảy ra trường hợp chất làm việc từ máy lạnh hấp thụ rò rỉ ra bên ngoài Ngược lại, có thể xảy ra trường hợp không khí từ môi trường bên ngoài thẩm thấu

và bên trong hệ thống Vì lý do này, hầu hết các máy lạnh hấp thụ H2O – LiBr loại Single Effect đều lắp đặt sẵn hệ thống xả khí Đối với máy lạnh hấp thụ loại

Double Effect và Triple Effect, tùy vị trí trong hệ thống mà áp suất làm việc có thể cao hay thấp hơn áp suất khí quyển

Hiện nay, với các tiến bộ đáng kể về công nghệ chế tạo, vật liệu và kĩ thuật điều khiển, một số nhược điểm của máy lạnh hấp thụ đã được khắc phục Ngày

nay, kích thước của máy lạnh hấp thụ đã được giảm bớt và hiệu quả làm việc được nâng cao Chính vì vậy, như nhiều nhà khoa học đã nhận định, thế kỉ 21 sẽ chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của máy lạnh hấp thụ

2.2 Cơ sở lý luận nhiệt động [TL1]

2.2.1 Chu trình Carnot

Chu trình carnot là chu trình có các đặc điểm sau:

- Bao gồm bốn quá trình, trong đó có hai quá trình đẳng nhiệt và hai quá trình đoạn nhiệt xếp xen kẽ nhau

- Mỗi quá trình đều là thuận nghịch

Đồ thị T – s biểu diễn chu trình Carnot thuận chiều

Hình 2.1 Chu trình Carnot

Với chu trình Carnot thuận chiều , khi khảo sát ở cùng nhiệt độ nguồn nóng TH và nhiệt độ nguồn lạnh TC, hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot là lớn nhất khi so sánh

với hiệu suất nhiệt của các chu trình thực tế khác Về mặt giá trị, hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot thuận chiều được tính như sau:

𝜂 = 1 −𝑇𝐶

𝑇𝐻

Gọi COP là hệ số đánh giá hiệu quả của các chu trình nhiệt động ngược chiều Trong trường hợp của chu trình Carnot ngược chiều giá trị COP được xác định như sau:

𝐶𝑂𝑃 = 𝑇𝐶

𝑇𝐻 − 𝑇𝐶

Do đặc điểm lý tưởng của chu trình Carnot, giá trị COP của chu trình Carnot ngược chiều cũng được xem là lớn nhất so với COP của các chu trình nhiệt động ngược chiều thực tế khác

2.2.2 Entropy và exergy

a Entropy

Rankine định nghĩa entropy như sau: “ Entropy là một hàm nhiệt động” Về sau, trên cơ sở định nghĩa của Rankine về entropy, người ta đã làm rõ hơn ý nghĩa của entropy Ta có định nghĩa khác như sau:

- “Entropy là loại thông số trạng thái mà giá trị của nó đƣợc giữ không đổi khi chất môi giới tiến hành quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch”

- “ Entropy là loại thông số trạng thái mà lƣợng biến đổi của nó trong một quá trình thuận nghịch nào đó có giá trị bằng 𝛿𝑞/𝑇”

Nhƣ vậy, ứng với một quá trình thuận nghịch, ta có:

- Tích phân vòng của d strong một chi trình bất kì đều bằng không

- Tích phân vòn của 𝛿𝑞/𝑇 bằng không nếu chu trình có tính thuận

nghịch và nhỏ hơn không nếu chu trình có tính không thuận nghịch

b Exergy : là lượng công lý thuyết tối đa mà ta có thể nhận được khi cho

chất môi giới biến đổi từ trạng thái đang khảo sát đến trạng thái chết

2.3 Các chu trình lý tưởng liên quan đến khái niệm hấp thụ [TL1]

a Chu trình loại thứ nhất

Khảo sát các chu trình Carnot, giả sử chu trình Carnot thuận chiều sinh ra lượng công W đúng bằng lượng công cấp vào cho chu trình Carnot ngược chiều Gọi Th và Ti là nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh của chu trình Carnot ngược chiều, khi ghép hai chu trình nói trên lại với nhau ta sẽ được một chu trình mới Đồ thị T- s ở hình 2.2a biểu diễn chu trình mới được ghép lại từ chu trình Carnot thuận chiều và ngược chiều Quan sát đồ thị ở hình 2.2a dưới góc độ chu trình ghép, ta thấy chu trình có thể vận chuyển nhiệt lượng đi từ môi trường có nhiệt độ Tl đến nhiệt độ Ti Năng lượng cần dùng để thực hiện sự vận chuyển nhiệt lượng theo chiều ngược từ Tl đến Ti không phải là cơ năng mà là nhiệt năng Ta thấy, từ chu trình ghép này, hệ thống sẽ nhả nhiệt lượng q’ và q” ra môi trường ở nhiệt độ Ti

Nếu chu trình ghép ở hình 2.2a hoạt động như bơm nhiệt, ta đánh giá hiệu quả hoạt động của bơm nhiệt như sau:

Ta viết lại như sau:

Về mặt lý luận, ta nói hệ thống đã sử dụng lượng biến đổi exergy của nguông nhiệt

có nhiệt độ cao ( khi biến đổi trạng thái từ Th đến Ti ) để thực hiện sự vận chuyển nhiệt lượng từ môi trường có nhiệt độ Tl đến môi trường có nhiệt độ Ti So với các chu trình thực tế hoạt động giữa các mức nhiệt độ tương tự, các COP ở biểu thức trên đạt giá trị lớn nhất

a) b)

Hình 2.2 Chu trình loại thứ nhất và thức hai

b Chu trình loại thứ hai

Đây là chu trình hoàn toàn ngược lại so với chu trình loại thứ nhất Trong trường hợp này, chu trình ghép cũng bao gồm 2 chu trình Carnot, một thuận chiều và một ngược chiều đồ thị T-s ở hình 2.2b trình bày chu trình ghép loại thứ hai Chú ý, so với chu trình ghép ở hình 2.2a, tất cả các chiều trên hình 2.2b đều ngược lại Liên hệ với thực tế, ta thấy chu trình ghép này thể hiện ý tưởng sử dụng các nguồn nhiệt thải có nhiệt độ Ti để sinh công và dùng công này để nâng nhiệt độ của một bộ phận nhiệt thải từ Ti đến Th Ta gọi chu trình loại này là Alsorption Heat Transformer

Như đã biết , khi khảo sát ở điều kiện lý tưởng, ta xem như công sinh

ra bởi chu trình Carnot thuận chiều 5-8-7-6 đúng bằng công cấp vào chu trình

Carnot ngược chiều 1-4-3-2 Trong trường hợp này, xem như ta dùng một phần nhiệt thải qi” ở nhiệt độ Ti cấp cho chu trình 5-8-7-6 để vận chuyển một bộ phận nhiệt thải qi’ từ nhiệt độ Ti lên nhiệt độ Th

vận chuyển một bộ phận nhiệt thải khác từ nhiệt độ Ti lên Th

c Mối liên hệ lý luận giữa các chu trình thuộc loại hấp thụ và chu trình

Rankine

Hình 2.3 Mối liên hệ lý luận giữa các chu trình thuộc loại hấp thụ và chu

trình Rankine

Khảo sát sơ đồ hình 2.3, trong sơ đồ hiện có hai chu trình tiêng biệt

mà mỗi chu trình có thể được xem là chu trình Rankine Chu trình thức nhất là chu trình ngược chiều, ta phải dùng công cấp vào máy nén để đưa chất môi giới từ áp suất thấp trong bình bốc hơi đến áp suất cao hơn trong bình ngưng Ở chu trình thứ hai, ta có thể nhận được công sinh ra từ tuabin khi cho chất môi giới giãn nở từ áp suất cao trong lò hơi đến áp suất thấp hơn trong bình ngưng, đây là chu trình thuận chiều

Giả sử ta thiết lập các giả thiết sau:

- Áp suất làm việc của bình ngưng trong chu trình ngược chiều và áp suất là việc của lò hơi trong chu trình thuận chiều bằng nhau

- Lưu lượng chất môi giới đi qua tuabin bằng lưu lượng chất môi giới đi qua máy nén

- Áp suất làm việc của bình bốc hơi trong chu trình ngược chiều và áp suất làm việc của bình ngưng trong chu trình thuận chiều bằng nhau Khi các giả thiết nói trên được thỏa mãn, ta có thể kết hợp hai chu trình ở hình 2.3 thành một chu trình mới bằng cách loại bỏ cả máy nén và tuabin Hình 2.4 trình bày sơ đồ của chu trình mới So với sơ đồ ở hình 2.3, bình A và bình

Hình 2.4

Thực tế cho thấy, nhiệt độ làm việc của lò hơi trong chu trình thuận chiều ở hình 2.3 thường phải lớn hơn nhiệt độ làm việc của bình ngưng trong chu trình ngược chiều Do đó, nếu lưu ý đến thực tế này và lưu ý đến giả thiết áp suất làm việc trong bình ngưng và trong bình A ở hình 2.4 phải giống nhau, nhất định chất làm việc trong bình A không phải là chất thuần khiết đơn mà phải là sự hòa trộn từ hai chất thuần khiết khác nhau Không những thế, để đảm bảo yêu cầu này, hai chất thuần khiết đó phải có nhiệt độ sôi khá cách biệt nhau khi ở cùng điều kiện

áp suất Trong tường hợp này, nếu gọi t1 và tk lần lượt là nhiệt độ sôi và nhiệt độ ngưng tụ trong bình A và trong bình ngưng ở hình 2.4, theo như những điều kiện đã trình bày thì t1> tk Để có thể đạt được kết quả này, chất thuần khiết đi vào bình ngưng và ngưng tụ trong bình ngưng ở nhiệt độ tk và áp suất pk phải là chất bay ra

từ dung dịch đang sôi trong bình A ở nhiệt độ t1 và áp suất pk Ở cùng áp suất, chất

này có nhiệt độ sôi nhỏ hơn chất còn lại tham gia tạo nên dung dịch Như vậy, nếu gọi 1 là chất thuần khiết bay ra từ bình A và đi vào bình ngưng, gọi 2 là chất thuần khiết được sử dụng để cùng với 1 tạo nên dung dịch làm việc trong bình A, ta có nhận xét sau:

- Nhiệt độ sôi của chất 1 thấp hơn nhiệt độ sôi của chất 2 khi ở cùng điều kiện áp suất

- Về nguyên tắc, đi qua bình ngưng và bình bốc hơi trong hình 2.4 chỉ

có chất 1 mà không có chất 2

- Sau khi một bộ phận chất 1 bay ra khỏi bình A, dung dịch còn lại từ bình A cần phải được đưa lên bình D để tiếp tực thực hiện các chu trình kế tiếp Trên hình 2.4, điều này được thực hiện bằng đường đứt nét giữa bình A và bình D Do áp suất làm việc trong bình A lớn hơn

áp suất làm việc trong bình D cho nên cần phải lắp đặt van giảm áp (trên đường đứt nét)

Các ý tưởng trình bày trong mục này có liên quan và có vai trò rất lớn trong việc hình thành bơm nhiệt và máy lạnh làm việc theo nguyên tắc hấp thụ

2.4 Chu trình lý thuyết của máy lạnh hấp thụ:

Về cơ bản, máy lạnh hấp thụ cũng giống như máy lạnh nén hơi, chỉ khác là

nhiệt Cụm “máy nén nhiệt” bao gồm : thiết bị hấp thụ, bơm dung dịch, bình sinh

hơi và tiết lưu dung dịch

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ

SH: Bình sinh hơi; BDD: Bơm dung dịch ; HT: Bình hấp thụ,

TLDD: Tiết lưu dung dịch

Nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ hay của máy nén nhiệt như sau :

Bình hấp thụ “hút” hơi sinh ra từ thiết bị bay hơi, cho tiếp xúc với dung dịch

loãng từ van tiết lưu dung dịch đến Do nhiệt độ thấp, dung dịch loãng hấp thụ hơi

môi chất để trở thành dung dịch đậm đặc Nhiệt tỏa ra trong quá trình hấp thụ được

thải ra cho nước làm mát Dung dịch đậm đặc được bơm dung dịch bơm lên bình

nhiệt sẽ sôi hoá hơi, hơi môi chất tách ra ở áp suất cao được đi vào thiết bị ngưng

tụ Quá trình diễn ra ở thiết bị ngưng tụ, tiết lưu và bay hơi giống như ở các máy lạnh nén hơi Sau khi sinh hơi, dung dịch đậm đặc trở thành dung dịch loãng và qua van tiết lưu dung dịch, giảm áp trở về bình hấp thụ, khép kín vòng tuần hoàn dung dịch

Phương trình cân bằng nhiệt của máy lạnh hấp thụ :

Q’k + Q’A = Q’o + Q’H + Q’B Trong đó :

Q’k : Nhiệt thải ra của thiết bị ngưng tụ

Q’A : Nhiệt thải ra của thiết bị hấp thụ

Q’0 : Nhiệt trao đổi của thiết bị bay hơi

Q’H : Nhiệt tiêu tốn cho quá trình sinh hơi

Q’B : Nhiệt quy đổi tiêu tốn cho bơm dung dịch

Điều kiện cho một chu trình máy lạnh hấp thụ hoạt động được là :

 = r - a > 0 Trong đó :

 : Nồng độ khối lượng dung dịch :