Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ cặp môi chất NH3 h2o đến hiệu quả làm lạnh của máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời và khói thải

NGUYỄN ĐÌNH KIÊN NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ NỒNG ĐỘ CẶP MÔI CHẤT NH3/H2O ĐẾN HIỆU QUẢ LÀM LẠNH CỦA MÁY LẠNH HẤP THỤ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ KHÓI THẢI LUẬN VĂN TH

TỔNG QUAN VỀ MÁY LẠNH HẤP THỤ

Máy lạnh hấp thụ

1.1.1 Khái niệm, nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ

Máy lạnh hấp thụ là máy lạnh không dùng máy nén hơi mà dùng cụm “máy nén nhiệt”, sử dụng nguồn nhiệt có nhiệt độ (80 ÷ 150) [°C] để tách môi chất lạnh ra khỏi hỗn hợp cặp môi chất hấp thụ trong hệ thống máy lạnh Điểm khác nhau cơ bản giữa MLHT và máy lạnh có máy nén hơi là năng lượng sử dụng và môi chất lạnh làm việc trong hệ thống [12]

Máy lạnh nén hơi sử dụng điện năng, trong khi đó năng lượng cấp vào cho MLHT có dạng nhiệt năng Nên MLHT thường sử dụng nguồn nhiệt năng rẻ tiền dưới dạng nước nóng, hơi nước, năng lượng mặt trời, sản phẩm cháy của nhiên liệu rắn, lỏng, khí

Máy nén nhiệt bao gồm các thiết bị: thiết bị hấp thụ, thiết bị sinh hơi, bơm dung dịch và van tiết lưu dung dịch Sơ đồ nguyên lý của máy lạnh hấp thụ được trình bày trên hình 1.1 [12] QK

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ SH: Bình sinh hơi; BDD: Bơm dung dịch; HT: Bình hấp thụ; TL: tiết lưu TLDD: Tiết lưu dung dịch; NT: Bình ngưng tụ; BH: Bình bay hơi

Trong MLHT có 2 vòng tuần hoàn là vòng tuần hoàn dung dịch và vòng tuần hoàn môi chất lạnh

- Vòng tuần hoàn dung dịch: hơi môi chất từ thiết bị bay hơi được bình hấp thụ hút về, tại bình hấp thụ dung dịch loãng từ van tiết lưu dung dịch hấp thụ hơi môi chất trở thành dung dịch đậm đặc Quá trình hấp thụ này phát sinh một lượng nhiệt QA thải ra cho nước làm mát Sau đó, dung dịch đậm đặc được bơm dung dịch bơm lên bình sinh hơi Tại bình sinh hơi, cấp một nhiệt lượng QH để môi chất sôi và bay hơi, tách ra khỏi dung dịch đậm đặc để đi đến thiết bị ngưng tụ Bình sinh hơi được gia nhiệt bằng hơi nước hoặc khí nóng Sau khi sinh hơi dung dịch đậm đặc trở thành dung dịch loãng và qua van tiết lưu dung dịch trở về bình hấp thụ, khép kín vòng tuần hoàn dung dịch và chu trình cứ thế tiếp tục

- Vòng tuần hoàn môi chất lạnh: hơi môi chất sau khi tách ra khỏi dung dịch đậm đặc ở thiết bị sinh hơi đi đến thiết bị ngưng tụ Tại đây, hơi môi chất nhả nhiệt cho môi trường làm mát ngưng tụ lại thành lỏng cao áp Sau đó, môi chất lạnh sẽ đi qua van tiết lưu, giảm áp suất rồi đi đến thiết bị bay hơi, nhận nhiệt của đối tượng cần làm lạnh và hóa hơi Hơi hạ áp tiếp tục đi vào bình hấp thụ, hấp thụ dung dịch loãng thành dung dịch đậm đặc Được bơm dung dịch bơm lên bình sinh hơi Tại bình sinh hơi, nhờ nhiệt độ cao hơi môi chất được tách ra và đi đến thiết bị ngưng tụ khép kín vòng tuần hoàn môi chất và chu trình cứ thế tiếp tục

1.1.2 Phân loại về máy lạnh hấp thụ

Máy lạnh hấp thụ có nhiều loại và thường được phân ra theo những loại sau:

- Phân loại theo cặp môi chất sử dụng ta có:

+ Máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O;

+ Máy lạnh hấp thụ LiBr/H2O

- Phân loại theo chu trình làm việc ta có:

+ MLHT chu trình tác dụng đơn (Single Effect);

+ MLHT chu trình tác dụng kép (Double Effect);

+ MLHT chu trình một cấp;

+ MLHT chu trình hai cấp;

Dưới đây là một số loại máy lạnh hấp thụ thường sử dụng:

1.1.2.1 Máy lạnh hấp thụ Nước/Bromualiti (H 2 O/LiBr)

Máy lạnh hấp thụ nước/bromualiti được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong kỹ thuật điều hòa không khí Trong đó, nước là môi chất lạnh và bromualiti đóng vai trò làm chất hấp thụ Máy lạnh hấp thụ nước/bromualiti có các ưu nhược điểm như sau:

+ Tỷ số áp suất nhỏ P k /P o = 4, hiệu số áp suất thấp P k - P o = 3,6 [kPa];

+ Không cần sử dụng thêm thiết bị tinh cất hơi môi chất vì dung dịch

H2O/LiBr chỉ có hơi môi chất lạnh là nước thoát ra;

+ Nhiệt độ nguồn nhiệt cấp cho bình sinh hơi cho phép thấp đến 80 [°C] do đó có thể sử dụng các nguồn nhiệt thải rẻ tiền Nếu có nguồn hơi nước có nhiệt độ cao, đầu tiên có thể dùng chạy máy lạnh tuabin, sau đó mới dùng cho máy lạnh hấp thụ

+ Tính ăn mòn của dung dịch rất cao, gây han gỉ thiết bị;

+ Phải duy trì chân không trong thiết bị;

+ Nhiệt độ làm lạnh thấp nhất xuống 5 [°C] vì nước là môi chất có nhiệt độ đóng băng ở 0 [°C]

Máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr có một số loại sau: a Máy lạnh hấp thụ H 2 O/LiBr tác dụng đơn (Single Effect)

Máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr tác dụng đơn (Single Effect) có ba vòng tuần hoàn: Tuần hoàn môi chất lạnh (nước), tuần hoàn dung dịch, tuần hoàn nước làm mát Sơ đồ nguyên lý của loại này được trình bày trên hình 1.2 [4]

Những thiết bị chính được bố trí trong hai bình trụ 1 và 2 để dễ dàng duy trì chân không trong hệ thống Bình 1 có áp suất ngưng tụ, nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ gia nhiệt, tương ứng với nó là thiết bị ngưng tụ và thiết bị sinh hơi Bình 2 có áp suất bay hơi, nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ hấp thụ, tương ứng là thiết bị bay hơi và thiết bị hấp thụ Hai bình không cần bố trí thêm cách nhiệt vì chân không cao trong thiết bị đã cách nhiệt lý tưởng

Nguồn nhiệt (hơi nước, khói thải, năng lượng mặt trời có nhiệt độ từ 80 [°C] đến 150 [°C] ) thông qua thiết bị trao đổi nhiệt cấp nhiệt cho dung dịch H2O/LiBr có nồng độ cao trong bình sinh hơi Môi chất lạnh là hơi nước sinh ra bay lên dàn ngưng tụ ở phía trên, truyền nhiệt cho nước làm mát và ngưng tụ lại, dung dịch lúc này trở thành dung dịch có nồng độ thấp và tiết lưu về thiết bị hấp thụ ở bình 2 qua

Hình 1.2 Máy lạnh hấp thụ H 2 O/LiBr được bố trí trong hai vỏ

SH: Ngăn sinh hơi; HT: Ngăn hấp thụ; BH: Dàn bay hơi; HN:Hồi nhiệt, NT: Dàn ngưng tụ; Bdd: Bơm dung dịch; 1,2: Vỏ bình; 3: Bơm môi chất

4: Xi phông; : Đường tuần hoàn dung dịch; :Đường tuần hoàn môi chất

5 hệ thống vòi phun Nước sau khi ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ sẽ tiết lưu qua xiphông 4 để cân bằng áp suất rồi chảy về thiết bị bay hơi Tại đây, nhờ áp suất thấp, nước nhận nhiệt của chất tải lạnh sôi và bay hơi Hơi nước sinh ra sẽ được dung dịch có nồng độ thấp hấp thụ ở thiết bị hấp thụ Nhiệt tỏa ra do hấp thụ sẽ truyền cho nước làm mát Chất tải lạnh sau khi được làm lạnh ở thiết bị bay hơi sẽ được đưa đến nơi tiêu thụ

Sau khi hấp thụ hơi nước, dung dịch trở thành dung dịch có nồng độ cao và được bơm dung dịch bơm lên bình sinh hơi Ở đây, thiết bị hồi nhiệt bố trí để tận dụng nhiệt từ dung dịch có nồng độ thấp ở nhiệt độ cao gia nhiệt cho dung dịch có nồng độ cao ở nhiệt độ thấp trước khi vào bình sinh hơi

Ngoài ra để tăng hiệu quả trao đổi nhiệt tại thiết bị bay hơi, nước ngưng chảy từ thiết bị ngưng tụ qua xiphông 4 được bơm tưới đều lên thiết bị trao đổi nhiệt với chất tải lạnh (dạng ống xoắn) Nước làm mát tại bình hấp thụ và thiết bị ngưng tụ có nhiệt độ khác nhau do đó người ta bố trí nhánh phụ của đường tuần hoàn nước làm mát để cân bằng nhiệt độ

Các chi tiết chuyển động (sử dụng điện năng) là bơm dung dịch và bơm môi chất với yêu cầu độ kín lớn và chân không cao (vì môi trường trong các bình đòi hỏi chân không cao) Ngoài ra cần bố trí thêm bơm chân không để loại trừ khí trơ, không khí nhằm duy trì độ chân không cao

Các kết quả nghiên cứu về máy lạnh hấp thụ

1.2.1 Các kết quả nghiên cứu trên thế giới

Máy lạnh hấp thụ chu kỳ H 2 O/H 2 SO 4 do Lesli phát minh năm 1810 và máy lạnh liên tục NH 3 /H 2 O do Carre phát minh năm 1850 Với chặng đường phát triển gần 200 năm, ngày nay các loại máy lạnh hấp thụ khác nhau đã được hoàn chỉnh và sử dụng có hiệu quả ở nhiều nước trên thế giới nhất là ở Nga, Nhật, Mỹ và Trung Quốc Dưới đây sẽ là các công trình nghiên cứu trên thế giới:

- Craig Christy, Dave Fusco and Reza Toossi, ứng dụng máy lạnh hấp thụ để điều hòa không khí trên xe hơi và tàu thủy chở container Trong công trình này các tác giả đã nghiên cứu thực nghiệm về hiệu quả của máy lạnh hấp thụ làm lạnh trên các tàu chở container và điều hòa không khí trên xe hơi Các nguồn nhiệt được chú trọng là khói thải của xe hơi hay của động cơ tàu thủy Các tác giả đã đưa ra các phương án thiết kế và chế tạo thành công các model với các công suất lạnh 6000 [Btu/h]; 18000 [Btu/h] và

25000 [Btu/h] với chỉ số làm lạnh COP = 1,99 Công trình nghiên cứu này đã được một

22 số hãng chế tạo xe hơi, tàu thủy chở container áp dụng để sản xuất theo đơn đặt hàng của khách hàng từ năm 2002 theo [13]

- Jorge E Gonzalez, Ph.D Associate Professor and Chairperson [18], nghiên cứu máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời Trong công trình này các tác giả đi sâu nghiên cứu hiệu quả làm việc của máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời ứng dụng cho việc điều hòa không khí Kết quả của công trình là đưa ra sơ đồ tối ưu kết nối giữa collector năng lượng mặt trời và hệ thống điều hòa hấp thụ để hiệu quả làm lạnh là cao nhất Công trình này cũng đã được ứng dụng trong các ngôi nhà xanh tại Chicago từ những năm 2005

- V Mittal, KS Kasana, NS Thakur [20], máy lạnh hấp thụ điều hòa không khí sử dụng năng lượng mặt trời Trong công trình này các tác giả đã nghiên cứu về hiệu quả máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời So sánh hiệu suất của các máy lạnh NH 3 /H 2 O và H 2 O/LiBr và đưa ra các phương án thiết kế chế tạo, cụ thể: Chỉ số COP của máy lạnh hấp thụ NH3/H2O nhỏ hơn 15% - 20% khi sử dụng năng lượng mặt trời để cấp nhiệt Máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời tác dụng kép thì có chỉ số COP cao hơn nhưng khả năng tích trữ lạnh lại không hiệu quả bằng loại tác dụng đơn

- Fernandez –Seara và cộng sự [19] chứng minh khả năng của MLHT sử dụng

NH3/H2O để cung cấp cho hệ thống lạnh trên tàu sử dụng hệ thống thu hồi nhiệt thải của động cơ trên tàu Trong đó dầu tổng hợp được sử dụng như chất tải nhiệt, năng lượng nhiệt thu hồi từ động cơ khí thải là 16,6 [kW] và công suất lạnh của hệ thống là 8,33 [kW] Đối với những tàu cá được trang bị động cơ diesel bốn thì với công suất từ 700 [kW] đến 1200 [kW] có sức chứa bảo quản từ 80÷150 [m 3 ], cần công suất làm lạnh từ 5÷10 [kW] với nhiệt độ bảo quản là 0 [°C] và nhiệt độ bay hơi là -10[°C] Nếu lượng nhiệt lớn có thể thu hồi từ động cơ này được sử dụng trong hệ thống MLHT phục vụ nhu cầu làm lạnh nêu trên

- 03/2014, Francisco Taboas và cộng sự [21] đã công bố phân tích so sánh chu trình MLHT sử dụng hỗn hợp 3 chất NH3/(LiNO3+ H2O ) và NH3/H2O cho tàu cá và kết luận: MLHT sử dụng NH 3 /(LiNO 3 + H 2 O) và hỗn hợp chất lỏng NH 3 /LiNO 3

23 có giá trị COP cao hơn so với MLHT sử dụng NH 3 /H 2 O Độ chênh lệch COP càng cao hơn khi vận hành ở nhiệt độ sinh hơi thấp Nếu nhiệt độ kích hoạt được đặt tới

85 [°C], nhiệt độ bay hơi nhỏ nhất có thể đạt được là -18,8 [°C] cho chu kỳ dùng

NH 3 /LiNO 3 , -17,5 [°C] cho chu kỳ dùng NH 3 /(LiNO 3 +H 2 O) và -13,7 [°C] cho chu kỳ dùng NH3/H2O ở nhiệt độ ngưng tụ của 25 [°C] Ngoài ra, cũng chứng minh được MLHT dùng NH3/(LiNO3 + H2O) có thể hoạt động mà không cần cột chưng cất và trong trường hợp này lượng nước trong dòng môi chất lạnh vào thiết bị bay hơi là dưới 1,5% theo khối lượng ở điều kiện hoạt động đã lựa chọn

1.2.2 Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam Ở Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu về máy lạnh hấp thụ như: Năm 2002 đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thực nghiệm mẫu máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời với cặp môi chất là than hoạt tính và methanol

"của PGS.TS Hoàng Dương Hùng [6], trường đại học bách khoa Đà Nẵng và đồng tác giả Trần Ngọc Lân, Sở khoa học công nghệ Quảng Trị Với công trình nghiên cứu này, hai tác giả đã nghiên cứu chế tạo thành công máy lạnh hấp thụ dùng sản xuất nước đá hoạt động bằng năng lượng mặt trời Tuy nhiên, thiết bị có nhược điểm lớn là chỉ có thể làm lạnh gián đoạn, công suất nhỏ, chi phí cao nên chưa thể ứng dụng vào thực tế

Tháng 10/2004 đề tài "Nghiên cứu lựa chọn quy trình công nghệ, thiết kế chế tạo một số thiết bị lạnh sử dụng nguồn năng lượng rẻ tiền tại địa phương để phục vụ sản xuất và đời sống" của PGS.TS Trần Thanh Kỳ [6] thuộc trường đại học bách khoa TP.HCM Với đề tài này, PGS.TS Trần Thanh Kỳ đã nghiên cứu và chế tạo thành công máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O dùng để sản xuất nước đá, sử dụng than cám (hoặc các phế phẩm như trấu, mùn cưa ) làm chất đốt hoạt động Thiết bị thích hợp ứng dụng cho các vùng thiếu điện và có sẵn các nguồn chất đốt trên Tuy nhiên, hệ thống có kích thước lớn, chi phí đầu tư ban đầu và chi phí bảo dưỡng lớn, hệ số làm lạnh thấp Đến nay, hệ thống này vẫn chưa được ứng dụng trong thực tế Cùng năm này, tác giả Lê Chí Hiệp đã khảo sát và đưa ra các thông số làm việc của MLHT H 2 O/LiBr loại một cấp trong điều kiện khí hậu của các tỉnh phía Nam

Năm 2011 tác giả Võ Kiến Quốc, Lê Chí Hiệp [5] đã nghiên cứu MLHT

NH 3 /H 2 O gián đoạn, sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất nước đá

Năm 2012 KS Đặng Thế Hùng dưới sự hướng dẫn của TS Đặng Trần Thọ đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm MLHT NH 3 /H 2 O sử dụng năng lượng mặt trời và nguồn nhiệt từ khói thải động cơ với công suất lạnh 2,63 [kW] Tuy nhiên, thiết bị còn đơn giản, chưa có các chi tiết linh hoạt để hỗ trợ cho việc vận hành, vật liệu chế tạo chưa phù hợp nên tuổi thọ thiết bị ngắn

Năm 2015 đề tài "Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, ứng dụng máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời và nhiệt thải" của KS Hoàng Mai Hồng dưới sự hướng dẫn của TS Đặng Trần Thọ [3] đã chế tạo thành công mô hình thực nghiệm MLHT NH3/H2O công suất lạnh 1,5[kW] có khả năng làm lạnh sâu ở nhiệt độ bay hơi -15[°C] Mô hình hoạt động ổn định, máy lạnh hấp thụ được chế tạo từ vật liệu chống ăn mòn, hệ thống được kết cấu dưới dạng các mô đun độc lập, kết nối ổn định và thuận tiện cho việc tháo lắp, sửa chữa…cho thấy mô hình thực nghiệm phù hợp tiến hành những nghiên cứu thực nghiệm sâu hơn về MLHT để từng bước đưa MLHT NH3/H2O vào sử dụng trong thực tế.

Đối tượng và mục đích nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu Ở Việt Nam, theo tổng cục thủy sản Việt Nam tính đến đầu năm 2017, tổng số tàu đánh bắt hải sản của cả nước là 111.000 chiếc trong đó có 20.000 tàu đánh bắt xa bờ Với những tàu đánh bắt xa bờ mỗi tàu có 7-12 hầm tàu, trong đó có 4-6 hầm tàu cách nhiệt dùng để bảo quản hải sản Hầm bảo quản được sử dụng phổ biến có vách cách nhiệt được cấu tạo bao gồm các lớp xốp (phổ biến là styrofoam) với bề mặt tiếp xúc với sản phẩm thủy sản là ván gỗ, một số ít tàu sử dụng compozit để trát thì tăng khả năng cách nhiệt, tránh đọng sương và nhiễm khuẩn hơn Các tàu thủy chủ yếu sử dụng đá cây xay nhỏ để bảo quản sản phẩm Chính vì vậy, chất lượng hải sản sẽ không được đảm bảo, nguồn hải sản dễ bị nhiễm khuẩn, và đặc biệt trong thời tiết nắng nóng để duy trì đá lạnh và bảo quản cá là hết sức khó khăn, nên thời gian đi biển sẽ bị rút ngắn dưới 10 ngày để đảm bảo chất lượng

Với những nơi như biển khơi, hải đảo hay ở những nơi vùng núi hẻo lánh thì việc sử dụng điện năng rất hạn chế Chính vì vậy, từ lâu các nhà khoa học trong và ngoài nước đã nghiên cứu các nguồn năng lượng sẵn có, dồi dào, không gây ôi nhiễm môi trường phục vụ sinh hoạt cũng như để sản xuất điện năng như năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời…Sự phát triển của công nghệ mặt trời bắt đầu từ năm 1860 với sự kỳ vọng sẽ thay thế than Tuy nhiên, trong những năm đầu thế kỷ 20 công nghệ năng lượng mặt trời bị trì trệ do sự sẵn có, tính kinh tế và sự tiện dụng của than và dầu mỏ Phải đến năm 1979 cuộc khủng hoảng năng lượng xảy ra, lúc này tổ chức lại chính sách năng lượng trên toàn thế giới và mang lại sự chú ý đổi mới để phát triển công nghệ năng lượng mặt trời Máy nước nóng năng lượng mặt trời bắt đầu xuất hiện tại Mỹ trong những năm 1890, và đến năm 1990 phát triển đều đặn và tỷ lệ tăng trưởng sử dụng trung bình 20% mỗi năm kể từ năm 1999 Đến nay công nghệ năng lượng mặt trời được triển khai rộng rãi với công suất ước tính 154 [GW] năm 2007 [14] Việt Nam là nước có tiềm năng về NLMT, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100÷175 [kcal/cm 2 năm] (4,2÷7,3[GJ/m 2 năm]) do đó việc sử dụng NLMT ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn

Ngày nay, đội tàu đánh bắt hải sản được trang bị động cơ có công suất máy lớn Do vậy, đòi hỏi phải chú trọng tới việc đảm bảo hiệu quả kinh tế Một trong những biện pháp tăng hiệu quả kinh tế là tận dụng nhiệt của động cơ chính để sử dụng các trang thiết bị làm lạnh bảo quản nguyên liệu trong khai thác Các tàu sử dụng động cơ đốt trong hiệu suất nhiệt của chu trình là:3048% Nhiệt lượng do khí xả mang đi chiếm 2637% tổng nhiệt lượng cấp cho động cơ Nguồn nhiệt do khí xả là nguồn có thế năng cao t x = 350 ÷500 [°C] [13].Việc tận dụng nguồn nhiệt này mang lại hiệu quả năng lượng cho tàu vừa giảm được sự ôi nhiễm do nguồn nhiệt gây ra Sử dụng nguồn nhiệt này để hoạt động máy lạnh nào thì sẽ mang lại hiệu quả và phù hợp? Nếu sử dụng cho máy lạnh ejector thì hiệu suất lại quá thấp đồng thời tuổi thọ, công nghệ không phù hợp trong điều kiện Việt Nam, còn máy lạnh nén hơi thì năng suất tuy cao hơn nhưng phải dùng thêm máy phát

26 tuabin sẽ làm cho hệ thống cồng kềnh, tăng chi phí Nên để tận dụng nhiệt của khói thải thì dùng máy lạnh hấp thụ sử dụng cặp môi chất NH 3 /H 2 O là hợp lý

Với những phân tích trên, nghiên cứu tận dụng nhiệt khói thải và năng lượng mặt trời để chạy máy lạnh bảo quản cá trên các tàu đánh bắt xa bờ sẽ mang lại hiệu quả kinh tế, đảm bảo chất lượng thủy sản, giảm thiểu ôi nhiễm môi trường là rất cần thiết

Khi máy lạnh hấp thụ hoạt động trên tàu biển hay ở đất liền, ngoài các yếu tố ảnh hưởng đến sự hoạt động như nhiệt độ nguồn gia nhiệt, nhiệt độ giải nhiệt thì nồng độ cặp môi chất là yếu tố quyết định rất lớn đến hiệu quả làm lạnh

Năm 2015 đã chế tạo mô hình máy lạnh hấp thụ NH3/H 2 O [3] sử dụng kết hợp năng lượng mặt trời và nhiệt khói thải của tàu đánh cá, khẳng định được việc sử dụng năng lượng mặt trời và khói thải cho máy lạnh hấp thụ NH3/H2O là khả thi Tuy nhiên, theo [3] nồng độ cặp môi chất để mô hình MLHT làm việc được lấy theo theo lý thuyết tính toán Với nồng độ đó mô hình MLHT đã hoạt động hiệu quả trong hay chưa? Vì thế, Tác giả sẽ nghiên cứu và đánh giá sự ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ môi chất đến, tốc độ làm lạnh, nhiệt độ làm lạnh, hiệu quả làm lạnh của mô hình MLHT

Trong phạm vi luận văn, do hạn chế về thời gian và điều kiện thực hiện đề tài, tác giả tập trung nghiên cứu những nội dung sau:

- Về lý thuyết: Tổng hợp những kiến thức chung, các nghiên cứu trong nước và trên thế giới về máy lạnh hấp thụ

+ Kiểm tra, khảo sát và đánh giá mô hình thực nghiệm;

+ Cải tạo, nâng cấp mô hình thực nghiệm đáp ứng các yêu cầu, mục đích thực nghiệm;

+ Vận hành mô hình thực nghiệm, đo đạc và tổng hợp các thông số làm việc của mô hình;

+ Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ môi chất NH 3 /H 2 O đến hiệu quả làm lạnh, nhiệt độ làm lạnh, thời gian làm lạnh của MLHT.

C SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÁY LẠNH HẤP THỤ NH 3 /H 2 O

Nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ một cấp NH 3 /H 2 O

Sơ đồ nguyên lý và đồ thị ( i-ζ) thể hiện trạng thái của chu trình máy lạnh hấp thụ NH3/H2O được trình bày trên hình 2.1 và hình 2.2

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O

N-íc gia nhiệt Dàn ng-ng tụ

Tháp ng-ng tụ hồi l-u

Trên hình 2.1 và hình 2.2 biểu diễn trạng thái các điểm làm việc của chu trình máy lạnh hấp thụ bao gồm: Điểm 1: Hơi NH3 ra khỏi tháp tinh luyện (vào dàn ngưng tụ); Điểm 2: Lỏng NH3 ra khỏi thiết bị ngưng tụ; Điểm 3: Lỏng NH3 quá lạnh ra khỏi thiết bị hồi nhiệt môi chất lạnh; Điểm 4: Lỏng NH3 ra khỏi van tiết lưu môi chất lạnh; Điểm 5: Hơi NH3 ra khỏi dàn bay hơi; Điểm 6: Hơi quá nhiệt NH3 ra khỏi thiết bị hồi nhiệt môi chất lạnh; Điểm 7: Dung dịch NH3/H2O nồng độ thấp ra khỏi bình sinh hơi; Điểm 8: Dung dịch NH3/H 2 O nồng độ thấp ra khỏi thiết bị hồi nhiệt dung dịch;

Hình 2.2 Đồ thị i-ξ của chu trình máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O

Hơi ẩm §-êng đẳng nhi ệt t 13

30 Điểm 9: Dung dịch NH3/H 2 O nồng độ thấp ra khỏi ra khỏi van tiết lưu dung dịch; Điểm 10: Dung dịch NH3/H 2 O nồng độ cao ra khỏi bình hấp thụ; Điểm 11: Dung dịch NH3/H 2 O nồng độ cao ra khỏi bơm dung dịch; Điểm 12: Dung dịch NH3/H 2 O nồng độ cao ra khỏi bình hồi lưu; Điểm 13: Dung dịch NH3/H2O nồng độ cao ra khỏi thiết bị hồi nhiệt dung dịch; Điểm 14: Hơi NH3 có lẫn hơi nước ra khỏi tháp tinh luyện; Điểm 15: Hơi nước từ tháp ngưng tụ hồi lưu trở lại bình sinh hơi qua tháp tinh luyện

Khi bình sinh hơi được cấp nhiệt, dung dịch NH3/H 2 O nồng độ cao trong bình sinh hơi sẽ sôi và bay hơi Hơi bay ra là NH3 (có lẫn một khối lượng nhỏ hơi nước) ở áp suất cao, hơi này được đi qua tháp tinh luyện và tháp ngưng tụ hồi lưu để tinh luyện được NH 3 tinh khiết Hơi cao áp NH 3 được đưa đến thiết bị ngưng tụ, tại đây hơi môi chất thải nhiệt ra môi trường làm mát, ngưng tụ thành lỏng cao áp Lỏng cao áp sau khi ra khỏi thiết bị ngưng tụ được đi qua van tiết lưu, giảm áp suất xuống áp suất thấp ở trạng thái bão hòa ẩm Môi chất tiếp tục được đưa qua thiết bị bay hơi, tại đây môi chất thu nhiệt của môi trường cần làm lạnh sôi và hóa hơi Hơi NH3 sinh ra từ dàn bay hơi, đưa về bình hấp thụ và được hấp thụ bởi dung dịch nồng độ thấp tiết lưu từ bình sinh hơi về trở thành dung dịch có nồng độ cao Sau đó được bơm dung dịch bơm trở lại bình sinh hơi và chu trình cứ thế tiếp tục.

Cơ sở tính toán chu trình máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O

2.2.1 Phương trình tính toán các thông số vật lý của dung dịch NH 3 /H 2 O

Qua chỉnh lý các số liệu thực nghiệm và các số liệu tra bảng đối với dung dịch

NH3/H2O, các nhà nghiên cứu đã lập được các phương trình tính toán các thông số nhiệt động lực học và nhiệt vật lý học của dung dịch NH3/H2O có nồng độ khối lượng amôniăc trong dung dịch như sau: a Nhiệt độ sôi của dung dịch

Theo [4] nhiệt độ sôi của dung dịch NH3/H2O được tính như sau:

T- nhiệt độ dung dịch NH 3 /H 2 O, [K]; a = - 2103,5 + 4669,96.ζ – 20228,3.ζ 2 + 56507.ζ 3 – 80989,9.ζ 4

- 82,71063.ζ 5 + 18,41133.ζ 6 ζ - nồng độ dung dịch NH3/H 2 O, [kg/kg] b Áp suất dung dịch

Theo [4] áp suất của dung dịch NH 3 /H 2 O được tính như sau:

P- áp suất của dung dịch NH 3 /H 2 O, [bar]; a = - 2103,5 + 4669,96.ζ – 20228,3.ζ 2 + 56507.ζ 3 – 80989,9.ζ 4 + 55286,5.ζ 5 -14361,4.ζ 6 b = 5,65208 – 7,0317.ζ + 37,90183.ζ 2 – 102,9123.ζ 3 + 135,7893.ζ 4

-82,71063.ζ 5 + 18,41133.ζ 6 c Enthalpy của dung dịch lỏng và hơi

Theo [4] enthalpy của dung dịch NH3/H2O được tính theo công thức: i’ = ζ.i NH 3 + ( 1- ζ) H O i 2 + qt (2.3) Trong đó: i’- enthalpy của dung dịch lỏng ở nồng độ ζ, nhiệt độ T, áp suất P, [kJ/kg];

NH 3 i - enthalpy hơi amôniăc, [kJ/kg]; iNH 3= -1058,43 +3,02148.T + 0,312072.10 -2 T 2 + 0,15536.P

H 2 i - enthalpy hơi nước, [kJ/kg];

32 q t - Nhiệt lượng hòa trộn, [kJ/kg];

Theo [4] enthalpy của hơi bay ra từ dung dịch được tính theo công thức: i” = ζV.

VNH 3 i + (1 – ζV) VH O i 2 (2.6) Trong đó: iVNH 3- entanpy của hơi NH 3 , [kJ/kg]; iVNH 3 = 770,776 + 1,86947.T + 0,578293.10 -4 T 2 + 0,731509.10 -6 T 3 -8,98074.P – 4580,15 P/T (2.7)

VH 2 i - enthalpy của hơi nước, [kJ/kg];

VH 2 i = 1993,19 + 1,88878.T – 0,205512.10 -3 T 2 + 0,367295.10 -6 T 3 -10,6342.p - 7648,34 p/T (2.8) ζ V - nồng độ hơi NH 3 bay ra từ dung dịch NH 3 /H 2 O, [kg/kg] d Nồng độ của hơi bay ra từ dung dịch NH 3 /H 2 O

Theo [4] nồng độ hơi bay ra từ dung dịch được tính theo công thức: ζV = 1 – (1 – ζ) T ) d

- 22,7722.P - 0,4979.10 -7 P 2 + 8286,02.P/T – 0,172363.10 -1 P.T + 0,77344.10 -6 P.T 2 - 3,62962.T.lnT – T.lnP d = -1467.ζ 2 (1,25.ζ 3 – 5,58.ζ 2 + 5,96.ζ – 0,42) + (17,3.ζ 3 – 13,8.ζ 4 ).T e Nhiệt dung riêng của dung dịch

Theo [4] nhiệt dung riêng của dung dịch được tính theo công thức:

– 4,40232 10 -3 T + 1,87528.10 -6 p.T).ζ (2.10) f Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch

Theo [4] hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được tính theo công thức: λ = ζ.λ NH 3 + (1 – ζ ) H O λ 2 (2.11)

33 λNH 3- hệ số dẫn nhiệt của NH3, [W/mK]; λNH 3= 0,582 – 1,669.10 -3 t – 6,2.10 -6 t 2

H O λ 2 - hệ số dẫn nhiệt của nước, [W/mK];

Theo [4] độ nhớt động học của dung dịch được tính theo công thức:

n- độ nhớt động lực học của nước, [Ns/m 2 ]; lnn = - 6,87757 – 2,1916.10 3 T -1 + 6,38605.10 5 T -2 (2.13)

a- độ nhớt động học của amôniăc, [Ns/m 2 ] lna = [- 7,9732 + 2,61441.T -1 - 243288.T -2 ].10 -3 (2.14)

2.2.2 Xác định thông số trạng thái của môi chất tại các điểm nút trên chu trình

Thông số cần xác định ở mỗi điểm trạng thái là: nhiệt độ t [°C], áp suất P [bar], enthalpy i [kJ/kg] và nồng độ của dung dịch ξ [kg/kg]

Ban đầu phải xác định các thông số cho trước của chu trình gồm:

- Nhiệt độ nguồn gia nhiệt tH [°C] tại bình sinh hơi;

- Nhiệt độ ngưng tụ tk [°C] tại dàn ngưng tụ và bình hấp thụ;

- Nhiệt độ bay hơi t 0 [°C] tại dàn bay hơi

Giả thiết quá trình tinh luyện được tiến hành cho đến khi chỉ còn hơi NH3 tinh khiết với ξ d = 1 [kg/kg], trong dàn ngưng chỉ có lỏng tinh khiết

- Đầu tiên, tác giả xác định được áp suất ngưng tụ pk bằng cách tra bảng với nhiệt độ tk và ξd = 1

- Áp suất bay hơi p 0 tra bảng với nhiệt độ t 0 và ξ d

Các điểm trạng thái của chu trình được tính như sau Điểm 1: Hơi NH 3 ra khỏi tháp tinh luyện vào dàn ngưng tụ

Tại điểm 1, t 1 = t H , P 1 = P k và ξ 1 = ξ d = 1 tra bảng xác định được enthalpy i 1 Vậy xác định được bộ thông số (t1, P1, i1, ξ1)

34 Điểm 2: Lỏng NH 3 sau thiết bị ngưng tụ

Ta có: P 2 = P k , t 2 = t k , ξ2 = ξ d = 1 theo [1] lấy thông số là phía lỏng ta được xác định được enthalpy i2 Vậy xác định được bộ thông số (t 2 , P 2 , i 2 , ξ2) Điểm 3: Điểm quá lạnh NH 3 sau khi qua thiết bị hồi nhiệt môi chất vào tiết lưu

Dựa vào phương trình cân bằng nhiệt tại thiết bị hồi nhiệt môi chất ta xác định được i3 và P3 = Pk Từ đó xác định điểm 3 theo [1] Vậy xác định được bộ thông số (t 3 , P 3 , i 3 , ξ3) Điểm 4: Lỏng NH 3 ra khỏi van tiết lưu vào dàn bay hơi

Ta có áp suất P 4 = P 0 , t 4 = t 0 , i 4 = i 3 ,ξ4 = ξ d = 1 Vậy xác định được bộ thông số (t 4 , P 4 , i 4 , ξ4) Điểm 5: Hơi NH 3 sau dàn bay hơi

Với P 5 = P 0 , t 5 = t 0 , ξ 5 = ξ d = 1 Theo [1] lấy thông số ở phía hơi ta xác định được i5 Vậy xác định được bộ thông số (t 5 , P 5 , i 5 , ξ5) Điểm 6: Hơi NH 3 sau hồi nhiệt môi chất

Xác định tương tự như điểm 3 Dựa vào phương trình cân bằng nhiệt tại thiết bị hồi nhiệt môi chất để xác định được t6 và i6 theo [1] Ta xác định được điểm 6.

Vậy xác định được bộ thông số (t 6 , P 6 , i 6 , ξ6) Điểm 7: Dung dịch NH 3 /H 2 O có nồng độ thấp ra khỏi bình sinh hơi vào thiết bị hồi nhiệt

Ta có: P7 = Pk, t7 = tH Theo [4] lấy về phía dung dịch ta xác định được ξ7 = ξa và i 7 Vậy xác định được bộ thông số (t 7 , P 7 , i 7 , ξ7) Điểm 8: Dung dịch NH 3 /H 2 O có nồng độ thấp ra khỏi thiết bị hồi nhiệt

Dựa vào phương trình cân bằng nhiệt tại thiết bị hồi nhiệt dung dịch để xác định được t8 Với ξ8 = ξa và P8 = Pk và t8 theo [4] lấy về phía dung dịch ta xác định được i8 Vậy xác định được bộ thông số (t8, P8, i8, ξ8) Điểm 9: Dung dịch NH 3 /H 2 O có nồng độ thấp ra khỏi tiết lưu dung dịch

Ta có ta có áp suất P 9 = P 0 , i 9 = i 8 , ξ9 = ξ 8 = ξ a Theo [4] lấy về phía dung dịch ta xác định được t9 Vậy ta xác định được bộ thông số (t9, P9, i9, ξ9)

35 Điểm 10: Dung dịch NH 3 /H 2 O có nồng độ cao ra khỏi bình hấp thụ vào bơm dung dịch

Tại điểm 10 ta có: t 10 = t ngn + ∆t, P 10 = P 0 theo [4] lấy về phía dung dịch ta xác định được ξ10 = ξr và i 10 Vậy xác định được bộ thông số (t 10 , P 10 , i 10 , ξ10) Điểm 11: Dung dịch NH 3 /H 2 O có nồng độ cao ra khỏi bơm dung dịch vào tháp ngưng tụ hồi lưu

Do công suất của bơm khá nhỏ nên phần năng lượng tổn thất của bơm biến thành nhiệt làm nóng dung dịch nồng độ cao, qua đó làm tăng entanpy của dung dịch được bỏ qua Ta có: P 11 = P k , t 11 = t 10 , ξ11 = ξ r , i 11 = i 10 Vậy xác định được bộ thông số (t 11 , P 11 , i 11 , ξ11)

Theo [11] để kiểm tra công suất bơm ta sử dụng công thức:

Trong đó: v 10 - Thể tích riêng của dung dịch, [m 3 /kg];

B - Hiệu suất bơm  B = 0,5÷0,7 m10 = mr - Lưu lượng dung dịch nồng độ cao, [kg/s]; Để xác định lưu lượng tuần hoàn trong hệ thống ta có: d d d m =m =1 m , r r d m = m m , a a d m =m m (2.16)

Trong đó: m d, m r, m a- là các đại lượng lưu lượng không thứ nguyên, [kg/kg];

Lưu lượng môi chất lạnh được xác định qua năng suất lạnh riêng q0

Trong đó: Q 0 - năng suất lạnh, [kW]

Lưu lượng dung dịch nồng độ cao không thứ nguyên d a r r a m = ξ -ξ ξ -ξ (2.18)

Lưu lượng dung dịch nồng độ cao r r d m = m m (2.19)

Lưu lượng dung dịch nồng độ thấp không thứ nguyên a r d m = m - m (2.20)

Lưu lượng dung dịch nồng độ thấp a a d m = m m Điểm 12: Dung dịch NH 3 /H 2 O có nồng độ cao ra khỏi tháp ngưng tụ hồi lưu và vào hồi nhiệt dung dịch

Ta có: P12 = Pk, ξ12 = ξr Dựa vào giải hệ phương trình cân bằng nhiệt tại thiết bị ngưng tụ hồi lưu và phương trình lưu lượng nước ngưng tụ hồi lưu để xác định được i12 và t 12 Vậy xác định được bộ thông số (t 12 , P 12 , i 12 , ξ12) Điểm 13: Trạng thái của dung dịch nồng độ cao ra khỏi hồi nhiệt vào bình sinh hơi

Ta có: P13 = Pk, ξ13 = ξr Dựa vào giải hệ phương trình cân bằng nhiệt tại thiết bị hồi nhiệt để xác định được i 13 và t 13 Vậy xác định được bộ thông số (t 13 , P 13 , i 13 , ξ13) Điểm 14: Trạng thái hơi NH 3 còn lẫn hơi nước ra khỏi tháp tinh cấp vào tháp ngưng tụ hồi lưu

Ta có: P 14 = P k , t 14 = t 7 = t H Theo [4] lấy về phía hơi ta xác định được ξ 14 và i14 Vậy xác định được bộ thông số (t14, P14, i14, ξ14) Điểm 15: Hơi nước từ bình hồi lưu trở lại bình sinh hơi

Ta có: P15 = Pk, ξ15 = 0 Phân áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp

Trong đó: r H O 2 là thành phần thể tích của hơi

P hh - Phân áp suất của hỗn hợp, [bar]

Tra bảng nước và hơi nước bão hòa cho

P ta xác định được t 15 và i 15 Vậy ta xác định được bộ thông số (t 15 , P 15 , i 15 , ξ15)

2.2.3 Xác định các dòng nhiệt của hệ thống và chu trình

Cân bằng nhiệt toàn thiết bị khi bỏ qua công suất bơm N B

Q 0 + Q H = Q K + Q A , [kW] (2.24) Năng suất lạnh riêng q 0 = i 5 – i 4 , [kJ/kg] (2.25)

Năng suất nhiệt riêng ngưng tụ q k = i 1 – i 2 , [kJ/kg] (2.26)

Nhiệt lượng hấp thụ riêng cho 1kg môi chất trong bình hấp thụ

Nhiệt lượng nhiệt gia riêng cho 1 kg môi chất trong bình sinh hơi

H 1 a 7 r 13 hl q = i + m ×i - m ×i + q , [kJ/kg] (2.28) Nhiệt thải ra cho dung dịch nồng độ cao làm mát trong bình ngưng hồi lưu hl 14 1 15 q = (1+R)×i - i - R×i , [kJ/kg] (2.29)

R là lưu lượng nước hồi lưu không thứ nguyên tạo ra ở thiết bị ngưng hồi lưu d h d h ξ - ξ

Nhiệt trao đổi trong thiết bị hồi nhiệt môi chất hn mc 2 3 6 5 q = i - i i - i , [kJ/kg] (2.31)

Nhiệt trao đổi trong thiết bị hồi nhiệt dung dịch

Phụ tải nhiệt của thiết bị bay hơi

Phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ k d k

Phụ tải nhiệt của bình hấp thụ

Phụ tải nhiệt của bình sinh hơi

Phụ tải nhiệt của thiết bị hồi lưu hl d hl

Phụ tải nhiệt của thiết bị hồi nhiệt môi chất mc mc

Phụ tải nhiệt của thiết bị hồi nhiệt dung dịch dd dd

Dựa vào các cơ sở lý thuyết trình bày trong chương 2 để tác giả tính toán kiểm tra các thông số vận hành của mô hình thực nghiệm

Kết quả tính toán kiểm tra được thể hiện trong chương 3

ĐÁNH GIÁ CẢI TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

Yêu cầu đối với mô hình nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm mô hình máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O sử dụng năng lượng mặt trời và nhiệt thải để đánh giá sự ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ đến hiệu quả làm lạnh của MLHT, từng bước đưa MLHT vào thực tế thì mô hình nghiên cứu thực nghiệm cần đạt được các yêu cầu sau:

- Mô hình máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O làm việc ổn định;

- Hệ thống làm lạnh nước giải nhiệt hoạt động ổn định, nhiệt độ nước giải nhiệt đạt 23,5 [°C];

- Nhiệt độ dung dịch nồng độ thấp ra khỏi bình sinh hơi t H = 90 [°C].

Giới thiệu mô hình thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O sử dụng năng lượng mặt trời và nhiệt thải được giới thiệu trên hình 3.1

Mô hình máy lạnh hấp thụ trên gồm các thiết bị chính sau:

3.2.1 Bình sinh hơi, tháp tinh luyện và thiết bị ngưng tụ hồi lưu

Các thiết bị gồm bình sinh hơi, tháp tinh luyện và thiết bị ngưng tụ hồi lưu được tổ hợp thành thiết bị thể hiện trên hình 3.2 và kích thước các thiết bị trình bày trong bảng 3.1

Hình 3.1 Hình ảnh mô hình máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O sử dụng năng lượng mặt trời và khói thải

Phần hệ thống máy lạnh

Bộ thu năng lượng Máy nổ tạo khói thải

Bảng 3.1 Kích thước của bình sinh hơi, tháp tinh luyện và thiết bị ngưng tụ hồi lưu

Thiết bị Tên thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị

Bình sinh hơi Đường kính ngoài vỏ bình D v 220 [mm] Đường kính trong của ống d2 11,5 [mm] Đường kính ngoài của ống d 1 13 [mm]

Số ống song song z 2 [ống]

Thiết bị ngưng tụ hồi lưu Đường kính ngoài vỏ D 2 150 [mm] Đường kính trong vỏ D 1 147 [mm] Đường kính trong ống xoắn d 2 100 [mm] Đường kính ngoài ống xoắn d1 8,5 [mm]

Số ống song song (ống kép) z 2 [ống]

Hình 3.2 Tổ hợp thiết bị bình sinh hơi, tháp tinh luyện và thiết bị ngưng tụ hồi lưu

Dung dịch đậm đặc bình sinh hơi và tháp tinh luyện tháp ng-ng tụ hồi l-u

Làm mát raHơi N H 3 vào dàn ng-ng tụ

Tổ hợp thiết bị này có cấu trúc liền khối với đặc điểm của từng thiết bị như sau:

- Bình sinh hơi: Tại bình sinh hơi nước gia nhiệt chảy trong ống trao đổi nhiệt còn dung dịch nồng độ cao chảy ngoài ống trao đổi nhiệt Nước gia nhiệt truyền nhiệt cho dung dịch NH3/H2O nồng độ cao làm NH3 hóa hơi tách ra khỏi dung dịch Hơi NH3 sau khi tách ra (có lẫn một phần hơi nước) tiếp tục đi qua thiết bị tinh luyện và thiết bị ngưng tụ hồi lưu để trở thành hơi NH 3 tinh khiết Phần hơi nước tách ra trong quá trình trên được hồi lưu về bình sinh hơi;

- Trong tổ hợp này, bình sinh hơi là thiết bị trao đổi nhiệt dạng trụ đứng ống xoắn Dung dịch NH 3 /H 2 O nồng độ cao đi vào bình sinh hơi từ phía trên của hệ thống màng rơi và tuần hoàn phía ngoài ống xoắn trở thành dung dịch nồng độ thấp ở phía đáy bình Trong bình sinh hơi bố trí các vách ngăn để triệt tiêu dao động của dung dịch khi làm việc trong điều kiện rung lắc;

- Tháp tinh luyện là tổ hợp gồm nhiều tấm chắn so le có tác dụng tách hơi nước quấn theo hơi NH3 sau bình sinh hơi;

- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu là thiết bị trao đổi nhiệt dạng hình trụ ống xoắn Ống xoắn sẽ tách nước ngưng tụ ra khỏi hơi NH3 để đảm bảo hơi ra khỏi thiết bị này là NH 3 tinh khiết;

- Để tránh tổn thất nhiệt, bình sinh hơi và tháp tinh luyện được bọc bảo ôn

Tại bình hấp thụ, hơi NH3 từ dàn bay hơi về kết hợp với dung dịch NH3/H2O nồng độ thấp để tạo thành dung dịch NH 3 /H 2 O có nồng độ cao Bình hấp thụ được thiết kế là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống vỏ nằm ngang có nước giải nhiệt tuần hoàn phía trong ống, dung dịch NH3/H2O chảy ngoài ống

Bình hấp thụ kết nối với đường ống bằng các mặt bích, rất thuận lợi cho việc tháo lắp, sửa chữa và thay thế Được cố định chắc chắn và ngâm trong nước giải nhiệt

Thông số kích thước, hình ảnh của bình hấp thụ được trình bày trong bảng 3.2 và trên hình 3.3

Bảng 3.2 Thông số kích thước bình hấp thụ

STT Tên thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị

4 Đường kính trong của ống d2 20,4 [mm]

5 Đường kính ngoài của ống d1 22 [mm]

Thiết bị ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt, hơi môi chất đi vào thiết bị nhả nhiệt cho nước giải nhiệt chuyển động phía ngoài ngưng tụ thành lỏng Trong mô hình, thiết bị ngưng tụ được thiết kế dạng ống xoắn, giải nhiệt bằng nước Nước lưu động ngoài ống, môi chất lạnh ngưng tụ trong ống

Các thông số kích thước và hình ảnh của thiết bị ngưng tụ được trình bày trên hình 3.4 và trong bảng 3.3

Hình 3.3 Bản vẽ và hình ảnh bình hấp thụ

Thiết bị ngưng tụ được kết nối vào hệ thống bằng các mặt bích, được cố định chắc chắn và ngâm trong nước giải nhiệt

Bảng 3.3 Kích thước thiết bị ngưng tụ

STT Tên thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị

3 Chiều cao dàn phần trao đổi nhiệt H 0,29 [m]

6 Tổng số ống trên 1 hàng m 9 [ống]

7 Đường kính trong của ống d1 8,5 [mm]

8 Đường kính ngoài của ống d2 10 [mm]

Hình 3.4 Bản vẽ và hình ảnh thiết bị ngưng tụ

Thiết bị bay hơi của mô hình MLHT sử dụng dàn bay hơi kiểu ống xoắn có cánh Tại đây, môi chất lạnh ở trạng thái lỏng từ thiết bị hồi nhiệt về chuyển động trong ống xoắn, nhận nhiệt của không khí chuyển động ngoài ống làm môi chất sôi và bay hơi Để tăng cường quá trình trao đổi nhiệt giữa không khí và môi chất lạnh, ở buồng lạnh sử dụng thêm quạt

Thông số kích thước và hình ảnh của thiết bị bay hơi được trình bày được ở trong bảng 3.4 và trên hình 3.5

Bảng 3.4 Kích thước thiết bị bay hơi

STT Tên thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị

3 Chiều cao dàn phần trao đổi nhiệt H 0,45 [m]

6 Tổng số ống trên 1 hàng M 15 [ống]

7 Đường kính trong của ống d1 8,5 [mm]

8 Đường kính ngoài của ống d 2 10 [mm]

Trong hệ thống MLHT sử dụng hai van tiết lưu là van tiết lưu môi chất và van tiết lưu dung dịch Hai van này có vai trò điều chỉnh lưu lượng và áp suất (phía cao áp và hạ áp) của hệ thống Van tiết lưu sử dụng trong mô hình là van tiết lưu tay, được làm từ thép không rỉ, phù hợp với môi chất dùng trong hệ thống Hình ảnh và cấu tạo của van tiết lưu tay được thể hiện trên hình 3.6

Hình 3.5 Bản vẽ và hình ảnh dàn bay hơi

Hình 3.6 Bản vẽ và hình ảnh van tiết lưu tay

Thân van Kim van Phớt cổ van

Buồng lạnh của máy lạnh hấp thụ có các đặc điểm sau:

Khung buồng lạnh được chế tạo bằng thép V20 x 20, với kích thước (dài x rộng x cao) = (1070 x 910 x 1055) [mm];

Vách của buồng lạnh được chế tạo từ xốp Polyurethan và tole nhôm;

Buồng lạnh được thiết kế có cửa để mở và đóng, được làm kín bằng lớp roăng đệm từ cao su

Các thông số kích thước, hình ảnh của buồng lạnh được trình bày trong bảng 3.5 và trên hình 3.7

Bảng 3.5 Kích thước buồng lạnh

STT Tên thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị

1 Chiều rộng ngoài buồng lạnh W 0,65 [m]

2 Chiều dài ngoài buồng lạnh L 0,89 [m]

3 Chiều cao ngoài buồng lạnh H 0,985 [m]

4 Chiều dày của lớp cách nhiệt cn 0,14 [m]

5 Chiều rộng cánh của Wc 0,6 [m]

Hình 3.7 Bản vẽ buồng lạnh của MLHT

Bơm dung dịch có tác dụng bơm dung dịch NH3/H 2 O nồng độ cao từ bình hấp thụ lên bình sinh hơi Máy lạnh hấp thụ sử dụng bơm không bị ăn mòn bởi dung dịch NH 3 /H 2 O, có tỉ số tăng áp cao (P k /P 0 >5)

Hình ảnh của bơm dung dịch được thể hiện ở hình 3.8 Mô hình sử dụng bơm Headon HF-9200, Hàn Quốc có những đặc tính kỹ thuật sau:

Cột áp đầu đẩy: PB = 360 [Psi]

Lưu lượng bơm: QB = 3.10 -3 [kg/s]

Đánh giá mô hình thực nghiệm

3.3.1 Tính kiểm tra chu trình máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O

Mô hình máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O được thiết kế với các thông số kỹ thuật như sau:

- Nhiệt độ nguồn gia nhiệt: tH = 95 [°C];

- Nhiệt độ dung dịch nồng độ thấp ra khỏi bình sinh hơi: t sh = 90 [°C];

3.3.1.1 Tính toán kiểm tra thông số tại các điểm nút của chu trình

Dựa vào cơ sở lý thuyết về máy lạnh hấp thụ NH3/H 2 O được trình bày ở chương 2, tác giả đã tính toán kiểm tra lại và tổng hợp kết quả thông số trạng thái của chu trình MLHT NH3/H 2 O được trình bày trong bảng 3.6

Bảng 3.6 Bảng tổng hợp các thông số trạng thái của chu trình MLHT NH 3 /H 2 O Điểm Trạng thái T

P [bar] ξ [kg/kg] i [kJ/kg]

1 Hơi NH3 ra khỏi tháp ngưng tụ hồi lưu 73,44 11,665 1 1830,25

2 Lỏng NH3 ra khỏi dàn ngưng tụ 30 11,665 1 560,334

3 Lỏng NH3 quá lạnh ra khỏi thiết bị hồi nhiệt môi chất lạnh 21 11,665 1 349,963

4 Lỏng NH3 ra khỏi van tiết lưu môi chất lạnh -15 2,363 1 349,963

5 Hơi NH3 ra khỏi dàn bay hơi -15 2,363 1 1662,609

6 Hơi quá nhiệt NH3 ra khỏi thiết bị hồi nhiệt môi chất lạnh 3 2,363 1 1452,238

Dung dịch nồng độ thấp

7 Dung dịch NH3/H 2 O nồng độ thấp ra khỏi bình sinh hơi 90 11,665 0,373 624,953

Dung dịch NH3/H 2 O nồng độ thấp ra khỏi thiết bị hồi nhiệt dung dịch

Dung dịch NH3/H2O nồng độ thấp ra khỏi van tiết lưu dung dịch

10 Dung dịch NH3/H2O nồng độ cao ra khỏi bình hấp thụ 30 2,363 0,4356 318,86

11 Dung dịch NH 3 /H 2 O nồng độ 30 11,665 0,4356 318,86

P [bar] ξ [kg/kg] i [kJ/kg] độ cao cao ra khỏi bơm dung dịch

12 Dung dịch NH3/H2O nồng độ cao ra khỏi bình hồi lưu 34 11,665 0,4356 339,766

Dung dịch NH3/H 2 O nồng độ cao ra khỏi thiết bị hồi nhiệt dung dịch

14 Hơi NH3 có lẫn hơi nước ra khỏi tháp tinh luyện 90 11,665 0,9671 1901,58

Nước 15 Hơi nước từ bình hồi lưu trở lại bình sinh hơi 73,44 11,665 0 310,69

3.3.1.2 Tính toán kiểm tra các dòng nhiệt

+ Năng suất lạnh riêng Áp dụng công thức (2.25) ta có: qo = i5 – i4= 1662,609 – 349,963 = 1312,646 [kJ/kg]

+ Năng suất nhiệt riêng ngưng tụ Áp dụng công thức (2.26) ta có: qk = i1 – i2 = 1830,25 – 560,334 = 1269,916 [kJ/kg]

+ Nhiệt lượng hấp thụ riêng cho 1[kg] môi chất trong bình hấp thụ Áp dụng công thức (2.27) ta có: ̅̅̅̅ ̅̅̅̅ 52,238 + 9,016 544,60 –10,016 318,86 = 3168,65 [kJ/kg]

+ Nhiệt thải ra cho dung dịch nồng độ cao làm mát trong bình ngưng hồi lưu Áp dụng công thức (2.28) ta có:

+ Nhiệt lượng nhiệt gia riêng cho 1 [kg] môi chất trong bình sinh hơi Áp dụng công thức (2.30) ta có:

+ Nhiệt trao đổi trong thiết bị hồi nhiệt môi chất Áp dụng công thức (2.31) ta có: hn mc 2 3 q = i - i = 560,334 – 349,963 = 210,371 [kJ/kg]

+ Nhiệt trao đổi trong thiết bị hồi nhiệt dung dịch Áp dụng công thức (2.32) ta có: ̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅( ) = (412,09 - 339,766)r4,394 [kJ/kg]

+ Hệ số nhiệt của chu trình

+ Phụ tải nhiệt của thiết bị tính cho md = 1,14.10 -3 [kg/s]

- Phụ tải nhiệt của thiết bị bay hơi

- Phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ

- Phụ tải nhiệt của bình hấp thụ

- Phụ tải nhiệt của thiết bị hồi lưu

- Phụ tải nhiệt của thiết bị sinh hơi

- Phụ tải nhiệt của thiết bị hồi nhiệt môi chất

- Phụ tải nhiệt của thiết bị hồi nhiệt dung dịch

+ Công suất bơm dung dịch

P k ,665 bar = 11,89 [kG/cm 2 ] Theo [4] ta có: v 10 = 1,18.10 -3 [m 3 /kg]

Công tiêu tốn của bơm: lB = (1 – ηB).NB= (1 – 0,6)×20,89 = 8,35 [W]

Vì l B khá nhỏ so với các năng lượng khác nên có thể bỏ qua

Công của bơm rất nhỏ so với các năng lượng khác nên có thể bỏ qua

Kết quả tính kiểm tra lại giá trị các phụ tải nhiệt của máy lạnh hấp thụ được tổng hợp ở bảng 3.7

Bảng 3.7 Bảng thống kê giá trị các phụ tải máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O

TT Tên thống số Ký hiệu Giá trị Đơn vị

1 Lưu lượng môi chất lạnh md 0,00114 [kg/s]

2 Lưu lượng dung dịch nồng độ cao không thứ nguyên m r 10,016 -

3 Lưu lượng dung dịch nồng độ cao mr 0,011418 [kg/s]

4 Lưu lượng dung dịch nồng độ thấp không thứ nguyên m a 9,016 -

5 Lưu lượng dung dịch nồng độ thấp ma 0,01028 [kg/s]

6 Lưu lượng nước hồi lưu không thứ nguyên R 0,062 -

7 Phụ tải nhiệt của thiết bị bay hơi Q o 1,5 [kW]

8 Phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ Q k 1,45 [kW]

9 Phụ tải nhiệt của bình hấp thụ QA 3,62 [kW]

10 Phụ tải nhiệt của thiết bị hồi lưu Qhl 0,19 [kW]

11 Phụ tải nhiệt của thiết bị sinh hơi Q H 4,00 [kW]

12 Phụ tải nhiệt của thiết bị hồi nhiệt môi chất 0,24 [kW]

TT Tên thống số Ký hiệu Giá trị Đơn vị

13 Phụ tải nhiệt của thiết bị hồi nhiệt dung dịch 0,83 [kW]

14 Công suất bơm dung dịch N B 20,89.10 -3 [kW] Như vậy, qua tính kiểm tra lại các thông số trạng thái, phụ tải nhiệt của các thiết bị cho thấy:

- Năng suất lạnh tính toán được phù hợp với năng suất lạnh mô hình

- Nồng độ dung dịch nồng độ thấp là 0,343, nồng độ dung dịch nồng độ cao là 0,4356

- Công suất của bơm dung dịch đã lựa chọn đúng với công suất bơm dung dịch tính toán

- Các thiết bị trao đổi nhiệt trên mô hình đã chế tạo có thông số làm việc phù hợp với thông số tính toán

Sau khi đã tính toán được các thông số trạng thái, tác giả thực hiện khảo sát mô hình máy lạnh hấp thụ NH3/H2O

3.3.2 Khảo sát, đánh giá mô hình thực nghiệm

Năm 2015 đã chế tạo thành công mô hình thực nghiệm ban đầu về máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời và khói thải để làm lạnh Kết quả ban đầu đã khẳng định được khả năng hoạt động của mô hình cũng như khẳng định nguồn nhiệt từ mặt trời và khói thải là nguồn nhiệt khả thi để chạy MLHT Để thực hiện luận văn này, tôi sẽ sử dụng mô hình MLHT trên để tiến hành thực nghiệm Tuy nhiên, qua khảo sát mô hình còn tồn tại những vấn đề sau:

+ Bình hấp thụ: Với thiết kế ban đầu, bình hấp thụ có bề dày 1,2 [mm] vật liệu chế tạo ống là inox304 Tuy nhiên, khi thử kín cho thiết bị thì bình hấp thụ bị phồng và khi nén đến áp suất 12 [kG/cm 2 ] bình hấp thụ bị biến dạng Vì vậy, để đảm bảo hoạt động cho máy lạnh hấp thụ cần thiết kế và chế tạo lại bình hấp thụ

+ Hệ thống nước gia nhiệt: Nước gia nhiệt cho bình sinh hơi có nhiệt độ 95[°C], nên hệ thống đường ống nước phải được thiết kế bằng vật liệu chịu nhiệt Tuy nhiên, qua khảo sát hệ thống đường ống nước bị rò rỉ, hệ thống van khóa hỏng, quá trình trao đổi nhiệt giữa nước gia nhiệt và bình sinh hơi kém, nhiệt độ dung

53 dịch nồng độ thấp ra khỏi bình sinh hơi theo thiết kế là 90 [°C] chưa đạt được Vì vậy, cần thiết kế lại hệ thống đường nước gia nhiệt và tìm biện pháp để tăng cường quá trình trao đổi nhiệt giữa nước gia nhiệt và bình sinh hơi đảm bảo cho dung dịch nồng độ thấp ra khỏi bình sinh hơi có nhiệt độ 90 [°C]

+ Hệ thống nước giải nhiệt: Thiết bị ngưng tụ và bình hấp thụ sử dụng nước để giải nhiệt Khi tàu hoạt động trên biển, nước biển có nhiệt độ 23,5 [°C] phù hợp để dùng làm môi trường giải nhiệt cho 2 thiết bị này Trong quá trình thực nghiệm, để thuận tiện sẽ chế tạo một hệ thống lạnh làm lạnh nước xuống đến nhiệt độ nước biển và dùng nước này để giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ và bình hấp thụ

Như vậy, qua khảo sát mô hình máy lạnh hấp thụ NH3/H 2 O cho thấy, máy lạnh hấp thụ chưa đạt yêu cầu mục đích thực nghiệm Cần phải khắc phục những tồn tại nêu trên.

Chế tạo và nâng cấp mô hình

Với những tồn tại nêu trên, tác giả đã thiết kế, thay thế, sửa chữa các thiết bị chưa đạt yêu cầu thực nghiệm, đồng thời nâng cấp mô hình, tăng cường quá trình trao đổi nhiệt giữa nước gia nhiệt với dung dịch…bằng những phương án lựa chọn như sau:

Tại bình hấp thụ, hơi môi chất và dung dịch NH3/H2O nồng độ thấp đưa vào bình từ phía trên, còn dung dịch NH3/H2O nồng độ cao được lấy ra từ phía dưới bình Quá trình hấp thụ giữa môi chất lạnh và dung dịch NH 3 /H 2 O nồng độ thấp phát sinh nhiệt, nhiệt này sẽ được truyền cho nước làm mát đi trong các ống trao đổi nhiệt trong bình hấp thụ

Bình hấp thụ bị hỏng do bề dày của bình quá mỏng, để đảm bảo hoạt động tác giả đã chế tạo, thay thế mới bình hấp thụ Theo thiết kế ban đầu vỏ bình có chiều dày là 1,2 [mm], khi thử kín đến áp suất 12 [kG/cm 2 ] vỏ bình không chịu được áp lực

Chiều dày của vỏ bình hấp thụ được xác định theo [15]

P - Áp suất làm việc của bình hấp thụ, [bar];

D - Chiều sâu của bình hấp thụ, [mm];

S - Ứng suất cho phép khi kéo, [bar];

E - Hệ số bền của mối hàn

Vật liệu sử dụng làm vỏ bình hấp thụ là inox304 nên chiều dày của vỏ bình là: δ = 100×95×[(

Chiều dày vỏ bình khi tính toán là 4,3 [mm] nhưng để đảm bảo hoạt động ổn định và chịu được áp lực khi thử kín ở áp suất 12 [kG/cm 2 ], chiều dày vỏ bình hấp thụ lấy 6 [mm]

Thông số kỹ thuật bình hấp thụ được thể hiện ở bảng 3.10 và hình 3.16 là hình ảnh chế tạo bình hấp thụ

Bảng 3.8 Bảng chi tiết thông số cấu tạo bình hấp thụ

STT Tên thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị

4 Chiều dày vỏ bình δ 6 [mm]

7 Số hàng ống so le z 5 [ống]

8 Tổng số ống trên 1 hàng so le M 7 [ống]

9 Đường kính trong của ống d 2 20,4 [mm]

10 Đường kính ngoài của ống d1 22 [mm]

STT Tên thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị

3.4.2 Hệ thống nước giải nhiệt cho bình hấp thụ và thiết bị ngưng tụ

Tại thiết bị ngưng tụ và bình hấp thụ, môi chất và dung dịch nhả nhiệt cho nước làm mát, nên cần phải có lượng nước làm mát lớn để giải nhiệt cho các thiết bị này Ở ngoài khơi, nước biển có nhiệt độ 23,5 [°C] là môi trường làm mát thích hợp được sử dụng để giải nhiệt cho bình hấp thụ và thiết bị ngưng tụ Để thực hiện quá trình thực nghiệm thuận lợi, mô hình sử dụng nước lạnh thay thế nước biển và làm lạnh nước xuống bằng nhiệt độ nước biển

Muốn làm lạnh nước xuống 23,5 [°C] từ nhiệt độ môi trường 30 [°C] nhóm tác giả đã chế tạo hệ thống máy lạnh nén hơi với các thống số kỹ thuật như sau:

- Lượng nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ: Qk = 5,85 [kW];

- Công suất điện lắp đặt Nlđ = 1,3 [KW];

- Diện tích trao đổi nhiệt ở dàn nóng F = 17 [m 2 ];

- Diện tích trao đổi nhiệt ở thiết bị bay hơi F = 1,81 [m 2 ];

- Môi chất sử dụng là R22

Hình 3.9 Bản vẽ chế tạo và hình ảnh bình hấp thụ

Sử dụng bơm nước tuần hoàn để tăng hiệu quả quá trình trao đổi nhiệt cho nước giải nhiệt và dung dịch trong hệ thống

Theo [9] lưu lượng nước giải nhiệt:

Trong đó: Q0- năng suất lạnh của thiết bị bay hơi của máy lạnh nén hơi, [KW];

C- nhiệt dung riêng của nước, [kJ/kg.K]; ρ- khối lượng riêng của nước, [kg/m 3 ];

∆t = t ngn vào - t ngn ra = 27 - 23,5 = 3,5 [°C] độ tăng nhiệt độ nước giải nhiệt Thay vào ta có :

Vậy sử dụng bơm Wilo PC của Hàn Quốc có lưu lượng 33[l/phút], công suất 125[W] Để nhiệt độ nước được duy trì 23,5 [°C] tác giả đã thiết kế, lắp đặt hệ thống điều khiển nhiệt độ nước làm mát đảm bảo yêu cầu vận hành

3.4.3 Hệ thống nước gia nhiệt

Hệ thống đường ống nước gia nhiệt bị rò rỉ, nên tác giả đã thay mới toàn bộ hệ thống đường ống nước gia nhiệt để đảm bảo quá trình lưu thông của nước

- Để tăng cường quá trình trao đổi nhiệt giữa nước gia nhiệt và dung dịch trong bình sinh hơi, sử dụng thêm bơm nước tuần hoàn chịu được nhiệt độ cao

Theo [9] lưu lượng nước gia nhiệt :

Trong đó: QH - phụ tải nhiệt của bình sinh hơi, [kW];

C - nhiệt dung riêng của nước ở 95 [°C], [kJ/kg.K]; ρ - khối lượng riêng của nước 95 [°C], [kg/m 3 ];

∆t = t ngn vào - t ngn ra = 95 - 92 = 3 [°C] độ tăng nhiệt độ nước giải nhiệt Thay vào ta có :

Vậy sử dụng bơm Samico của Nhật Bản có lưu lượng 23 [l/phút], công suất

100 [W] nhiệt độ làm việc đến 110 [°C]

Vận hành thử nghiệm thiết bị

3.5.1 Mô hình thực nghiệm sau khi sửa chữa, nâng cấp

Hình 3.10 Mô hình MLHT NH 3 /H 2 O

3.5.2 Dụng cụ đo các thông số thực nghiệm

Trong phạm vi thực nghiệm, nhóm tác giả sử dụng các loại đồng hồ sau để đo nhiệt độ:

- Đồng hồ đo nhiệt độ hiện thị số: Khoảng đo nhiệt độ -50 ÷ 110 [°C], với sai số ± 0,5 [°C] Dùng để đo nhiệt độ của nước làm mát, nhiệt độ buồng lạnh

- Dây đo nhiệt độ tiếp xúc: Khoảng làm việc từ -30 ÷ 300 [°C], sai số ± 0,1 [°C] Dùng để đo nhiệt độ buồng lạnh, nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ dung dịch nồng độ thấp ra khỏi bình sinh hơi, nhiệt độ nước giải nhiệt

- Đồng hồ điều khiển nhiệt độ: Sử dụng FOX -2002, khoảng đo nhiệt độ -55 ÷ 99,9 [°C], với sai số ± 0,1 [°C] Dùng để đo và điều khiển nhiệt độ nước gia nhiệt, nhiệt độ nước giải nhiệt

- Súng bắn nhiệt độ bằng tia laser: Khoảng đo nhiệt độ từ -32 ÷ 320 [°C], với sai số ± 2 [°C]

Sử dụng cân nạp gas điện tử TA101FB của Nhật Bản, khả năng cân 50[kg] cả vỏ bình, sai số 5 [gram]

Hình 3.11 Cân nạp gas điện tử + Đo áp suất: Sử dụng đồng hồ áp suất cao đo áp suất ở thiết bị bay hơi và đồng hồ áp suất thấp ở bình hấp thụ

3.5.3 Phương pháp đo các thông số thực nghiệm

+ Phương pháp đo áp suất: Dụng cụ đo áp suất được gắn trực tiếp lên thiết bị, sử dụng đồng áp suất cao gắn trên thiết bị sinh hơi, đồng hồ đo áp suất thấp gắn trên bình hấp thu

+ Phương pháp đo nhiệt độ:

- Đặt đầu đo trong thùng chứa nước của mô hình MLHT NH3/H2O để đo nhiệt độ nước giải nhiệt

- Đặt đầu đo ở giữa buồng lạnh để đo nhiệt độ buồng lạnh

- Đặt đầu đo ở giữa dàn lạnh để đo nhiệt độ bay hơi

- Đặt đầu đo ở giữa bình sinh hơi để lấy nhiệt độ dung dịch nồng độ thấp ra khỏi bình sinh hơi

3.5.4 Thử kín, hút chân không, nạp NH 3 /H 2 O và chạy thử hệ thống

Sau quá trình kiểm tra về lý thuyết, khảo sát thực tế, sửa chữa, cải tạo và nâng cấp mô hình MLHT NH3/H 2 O hoạt động trở lại Để đánh giá sự hoạt động ổn

59 định của mô hình thực nghiệm, tác giả vận hành chạy thử theo trình tự các bước sau:

- Tháo gỡ tất các các bao bì còn dính trên thiết bị

- Quét dọn sạch sẽ các thiết bị xung quanh hệ thống

- Dẹp hết các thiết bị còn nằm trên và trong hệ thống tránh làm hư hỏng các thiết bị của hệ thống

- Dọn dẹp và lau chùi sạch sẽ hệ thống

Tác giả dùng khí N2 để thử kín Nâng áp suất lên áp suất thử kín theo bảng 3.9 sau đó tiến hành thử bằng nước xà phòng Duy trì áp lực thử trong vòng 24 giờ Áp suất không giảm

Bảng 3.9 Áp suất thử kín

Vùng thử kín Phía áp suất cao Phía áp suất thấp Áp suất thử kín [bar] 18 12

Việc hút chân không được tiến hành nhiều lần đến khi áp suất chân không đạt 760mmHg

Khối lượng H2O nạp và mô hình MLHT được xác định theo phần trăm thể tích của các thiết bị như sau: 80% thiết bị hấp thụ, 50% thiết bị sinh hơi, 100% thiết bị hồi nhiệt dung dịch

Khối lượng NH3 được xác định theo nồng độ cặp môi chất Ban đầu tác giả xác định nồng độ 0,400 với tỷ lệ nồng độ cặp môi chất như sau: khối lượng H 2 O [kg] khối lượng NH 3 [kg]

Quá trình chạy thử hệ thống được tiến hành theo trình tự sau:

1- Chuẩn bị bảng theo dõi nhiệt độ và áp suất cho quá trình thử nghiệm;

2- Kiểm tra các thiết bị ở trạng thái sẵn sàng làm việc; Bể nước giải nhiệt, nước gia nhiệt…vv

3- Kiểm tra trạng thái các van chặn và van tiết lưu trên hệ thống lạnh ở trạng thái đóng Kiểm tra, quan sát thấy mức lỏng của bình sinh hơi trên ống thủy;

4- Khởi động bộ gia nhiệt;

5- Khởi động hệ thống làm lạnh nước giải nhiệt, làm lạnh nước đến nhiệt độ 23,5[°C];

6- Gia nhiệt cho hệ thống đến khi đạt nhiệt độ gia nhiệt 95[°C], lúc này khởi động bơm dung dịch sau đó mở các van chặn và điều chỉnh van tiết lưu mở phù hợp với trạng thái làm việc của thiết bị;

7- Theo dõi hoạt động của mô hình và ghi lại các giá trị theo thời gian;

8- Mô hình hoạt động trong 2 giờ ở chế độ thử nghiệm

3.5.5 Kết quả chạy thử MLHT ở nồng độ 0,400 Ở tại chế độ này, nước gia nhiệt đạt nhiệt độ 95[°C], nước giải nhiệt đạt 23,5[°C] Kết quả đo đạc thử nghiệm được tổng hợp tại bảng 3.10

Bảng 3.10 Kết quả vận hành thử nghiệm MLHT ở nồng độ 0,400

Trong đó: tbl: Nhiệt độ buồng lạnh, t0: Nhiệt độ bay hơi, tk: Nhiệt độ ngưng tụ,

P ht : Áp suất tại bình hấp thụ, Psh: Áp suất tại bình sinh hơi, tgn: Nhiệt độ nước gia nhiệt,tsh: Nhiệt độ tại bình sinh hơi, tgiai: Nhiệt độ nước giải nhiệt cho bình hấp thụ và thiết bị ngưng tụ

Nhận xét: Qua bảng kết quả vận hành thu được tổng hợp ở bảng 3.6 cho thấy:

Mô hình thực nghiệm hoạt động ổn định, đáp ứng được yêu cầu đề ra khi sửa chữa;

Các thiết bị chế tạo, bổ sung cho mô hình MLHT như: Hệ thống giải nhiệt, hệ thống nước gia nhiệt…hoạt động ổn định, đáp ứng thông số thiết kế;

Vì vậy, mô hình MLHT hoạt động ổn định đáp ứng các yêu cầu thực nghiệm và sẵn sàng cho nghiên cứu thực nghiệm

Như vậy, trong chương này tác giả đã tính toán kiểm tra lại các thông số thiết kế và tìm được các thông số vận hành của thiết bị, dung dịch NH 3 /H 2 O ở nồng độ cao và nồng độ thấp

Các thiết bị trên mô hình được nâng cấp đạt các yêu cầu thực nghiệm.

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ MÔI CHẤT ĐẾN MÁY LẠNH HẤP THỤ NH 3 /H 2 O

Mục đích và giới hạn nghiên cứu thực nghiệm

4.1.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm

Mục đích của quá trình nghiên cứu thực nghiệm, để đánh giá được ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ cặp môi chất NH 3 /H 2 O đến:

- Nhiệt độ bay hơi của máy lạnh hấp thụ NH3/H2O;

- Tốc độ làm lạnh của máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O;

- Hiệu quả làm lạnh của máy lạnh hấp thụ NH3/H2O;

- Công suất lạnh của máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O

4.1.2 Giới hạn nghiên cứu thực nghiệm

Do hạn chế về thời gian và điều kiện nghiên cứu thực nghiệm, trong phạm vi luận văn tác giả tập trung nghiên cứu 5 chế độ có tỷ lệ nồng độ cặp môi chất

NH 3 /H 2 O khác nhau theo thứ tự như sau: 0,400; 0,411; 0,420; 0,432; 0,436

Theo lý thuyết tính toán, nồng độ khối lượng của dung dịch là 0,4356 ≈ 0,346, tác giả đã lựa chọn các chế độ vận hành thực nghiệm với các tỷ lệ nồng độ trình bày trong bảng 4.1

Kết quả đo của những chế độ này được tập hợp để làm cơ sở đánh giá sự ảnh hưởng của nồng độ đến MLHT

Bảng 4.1 Bảng các chế độ vận hành thực nghiệm

Chế độ thực nghiệm khối lượng

Nồng độ dung dịch đậm đặc NH 3 /H 2 O, ξ [kg/kg]

4.1.4 Quy trình vận hành thực nghiệm

Quá trình vận hành thử nghiệm sẽ được tiến hành theo trình tự sau:

1 Nạp khối lượng NH 3 /H 2 O theo từng chế độ

2- Chuẩn bị bảng theo dõi nhiệt độ và áp suất cho quá trình thử nghiệm;

3- Kiểm tra các thiết bị ở trạng thái sẵn sàng làm việc;

4- Kiểm tra trạng thái các van chặn và van tiết lưu trên hệ thống lạnh ở trạng thái đóng Kiểm tra, quan sát thấy mức lỏng của bình sinh hơi trên ống thủy;

5- Khởi động bộ gia nhiệt;

6- Khởi động hệ thống làm lạnh nước giải nhiệt, làm lạnh nước đến nhiệt độ 23,5[°C];

7- Gia nhiệt cho hệ thống đến khi đạt nhiệt độ gia nhiệt 95[°C], lúc này khởi động bơm dung dịch sau đó mở các van chặn và điều chỉnh van tiết lưu mở phù hợp với trạng thái làm việc của thiết bị;

8- Theo dõi hoạt động của mô hình và ghi lại các giá trị theo thời gian;

9- Mô hình hoạt động trong 2 giờ ở chế độ thử nghiệm.

Kết quả vận hành thực nghiệm

4.2.1 Chế độ vận hành thực nghiệm 01 Ở chế độ này tác giả đã tính toán lượng NH3 và lượng H2O cần nạp vào hệ thống để nồng độ môi chất đạt 0,400 Khởi động bộ gia nhiệt và hệ thống nước giải nhiệt Khi nhiệt độ gia nhiệt đạt 95 [°C], nhiệt độ nước giải nhiệt đạt 23,5 [°C] sau khởi động bơm dung dịch và điều chỉnh các van tiết lưu Kết quả đo đạc thực nghiệm được tổng hợp và trình bày trong bảng 4.2

Bảng 4.2 Kết quả vận hành MLHT ở nồng độ 0,400

4.2.2 Chế độ vận hành thực nghiệm 02

Khi vận hành MLHT ở nồng độ 0,411, khối lượng gas phải nạp thêm 0,29 [kg]

NH 3 với khối lượng H 2 O có định, kết quả đo đạc thực nghiệm được tổng hợp và trình bày trong bảng 4.3

Bảng 4.3 Kết quả vận hành MLHT ở nồng độ 0,411

4.2.3 Chế độ vận hành thực nghiệm 03

Khi vận hành MLHT ở nồng độ 0,420, tỷ lệ nồng độ cặp môi chất tăng 0,009 so với nồng độ ở chế độ thực nghiệm 02 Khối lượng ga NH3 phải nạp thêm là 0,246 [kg], khối lượng nước giữ nguyên 9,318 [kg] Kết quả đo đạc thực nghiệm được tổng hợp trình bày trong bảng 4.4

Bảng 4.4 Kết quả vận hành MLHT ở nồng độ 0,420

4.2.4 Chế độ vận hành thực nghiệm 04

Khi vận hành MLHT ở nồng độ 0,432, khối lượng NH 3 cần nạp thêm 0,339[kg] so với chế độ vận hành thực nghiệm 03, khối lượng H2O giữ nguyên Kết quả đo đạc thực nghiệm được tổng hợp và trình bày trong bảng 4.5

Bảng 4.5 Kết quả vận hành MLHT ở nồng độ 0,432

4.2.5 Chế độ vận hành thực nghiệm 05

Khi vận hành MLHT ở nồng độ 0,436, khối lượng NH3 cần nạp thêm 0,105 [kg] so với chế độ vận hành thực nghiệm 04 Kết quả đo đạc thực nghiệm được tổng hợp và trình bày trong bảng 4.6

Bảng 4.6 Kết quả vận hành MLHT ở nồng độ 0,436

Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ cặp môi chất NH 3 /H 2 O đến nhiệt độ bay hơi

Dựa vào bảng kết quả các chế độ thực nghiệm trên, để đánh giá ảnh hưởng của nồng độ cặp môi chất đến nhiệt độ bay hơi tác giả tổng hợp các giá trị nhiệt độ bay hơi ở mỗi chế độ thực nghiệm trong bảng 4.7 Từ đó xây dựng biểu đồ hình 4.1 thể hiện sự thay đổi nhiệt độ bay hơi theo thời gian làm việc và tác giả so sánh kết quả giữa 5 chế độ thực nghiệm ở thời điểm máy lạnh hấp thụ hoạt động được 180 phút được trình bày trên hình 4.2

Bảng 4.7 Bảng tổng hợp nhiệt độ bay hơi [ o C] của các chế độ

Hình 4.1 Biến thiên nhiệt độ bay hơi các chế độ theo thời gian

Hình 4.2 Nhiệt độ bay hơi thấp nhất của 5 chế độ thực nghiệm tại thời điểm

Thời gian [phút] t01 [oC] t02 [oC] t03 [oC] t04 [oC] t05 [oC]

Nồng độ cặp môi chất NH 3 /H 2 O

Qua bảng 4.7 và các đồ thị trên hình 4.1 và 4.2 cho chúng ta thấy rằng:

- Ở nồng độ 0,400 nhiệt độ bay hơi chỉ đạt -14,6 [ o C];

- Khi nồng độ tăng tới 0,411 (tăng 2,75%) thì nhiệt độ cũng giảm theo và giảm tới -14,8 [ o C] (giảm 1,3%);

- Khi tăng nồng độ cặp môi chất từ 0,411 lên 0,420 (tăng 2,2%) thì nhiệt độ giảm xuống -15,6 [ o C] (giảm 5%);

- Khi nồng độ cặp môi chất tăng từ 0,420 lên 0,432 (tăng 2,85%), nhiệt độ bay hơi lại tăng lên sơ với nhiệt độ bay hơi ở chế độ thực nghiêm 3 (tăng 1,3%);

- Khi nồng độ cặp môi chất tăng từ 0,432 lên 0,436 (tăng 0,9%), nhiệt độ bay hơi tăng lên -15,2 (tăng 1,3%) so với chế độ thực nghiệm 4

Như vậy, nếu ta tăng nồng độ cặp môi chất NH3/H 2 O từ 0,400 lên 0,411 thì nhiệt độ bay hơi giảm Khi nhiệt nồng độ cặp môi chất đạt 0,420 thì nhiệt độ bay hơi là thấp nhất Nếu tiếp tục tăng nồng độ cặp môi chất, nhiệt độ bay hơi cũng tăng theo Nhiệt độ bay hơi của môi chất phụ thuộc vào tỷ lệ nồng độ cặp môi chất.

Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ cặp môi chất NH 3 /H 2 O đến tốc độ làm lạnh

Để đánh giá ảnh hưởng của của nồng độ cặp môi chất đến tốc độ làm lạnh, tác giả so sánh các giá trị nhiệt độ trong buồng lạnh ở mỗi chế độ thực nghiệm Kết quả được tổng hợp trong bảng 4.9 Từ đó xây dựng biểu đồ hình 4.3 so sánh thời gian ở mỗi chế độ làm lạnh của MLHT

Bảng 4.8 Nhiệt độ buồng lạnh [ o C] ở 5 chế độ thực nghiệm

Hình 4.3 Nhiệt độ buồng lạnh theo thời gian

Thời gian [Phút] tbl1 [oC] tbl2 [oC] tbl3 [oC] tbl4 [oC] tbl5 [oC]

Hình 4.4 Nhiệt độ buồng lạnh của 5 chế độ thực nghiệm tại thời điểm 120 phút

- Tại thời gian 15 [phút] hoạt động, tốc độ giảm nhiệt độ của mỗi chế độ thực nghiệm là khác nhau Tốc độ giảm nhiệt độ ở chế độ thực nghiệm 5 có nồng độ 0,436 là nhanh nhất, giảm xuống 8,9 [ o C] Tốc độ giảm nhiệt độ chậm nhất là chế độ thực nghiệm 1 có nồng độ 0,432, nhiệt độ giảm 8,3 [ o C];

- Khoảng thời gian 30 ÷ 60 [phút], tốc độ giảm nhiệt độ ở chế độ thực nghiệm 3, 4, 5 là như nhau Trong khoang thời gian này, tốc độ giảm nhiệt độ buồng lạnh ở chế độ 1 là chậm nhất;

- Sau thời gian 120 [phút] nhiệt độ buồng lạnh ở chế độ thực nghiệm 3 có nồng độ 0,420 đạt nhiệt độ sâu nhất

Tốc độ giảm nhiệt được thể hiện trong bảng 4

Bảng 4.9 Mức giảm nhiệt độ buồng lạnh [ o C] ở các tỷ lệ nồng độ cặp môi chất khác nhau theo thời gian

Nồng độ cặp môi chât NH 3 /H 2 O

Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ cặp môi chất NH 3 /H 2 O đến hiệu quả làm lạnh

độ làm lạnh nhanh hơn, tuy nhiên sau thời gian 105 phút, tốc độ làm lạnh ở các chế độ có tỷ lệ nồng độ cặp môi chất nhỏ hơn hoặc lớn hơn 0,420 bắt đầu chậm dần Điều này có nghĩa, khi ở nồng độ thấp lưu lượng môi chất bay hơi tại bình sinh hơi không đủ dẫn đến thiếu ga Khi ở nồng độ cao, lượng ga dư, áp suất ngưng tụ tăng dẫn đến nhiệt độ buồng lạnh tăng theo

4.5 Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ cặp môi chất NH 3 /H 2 O đến hiệu quả làm lạnh Để đánh giá sự ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ cặp môi chất đến hệ số COP, từ bảng kết quả thực nghiệm, xây dựng biểu đồ hình 4.5 và hình 4.6 biểu diễn sự thay đổi COP của MLHT theo thời gian

Dưới đây là bảng tổng hợp tính toán COP của các tỷ lệ môi chất có nồng độ khác nhau

Bảng 4.10 Bảng tổng hợp COP của các chế độ vận hành

Từ bảng kết quả trên ta vẽ được đồ thị biến thiên COP của từng chế độ theo thời gian được thể hiện trên hình 4.5

Hình 4.5 Biến thiên COP của từng chế độ thực nghiệm theo thời gian

Qua biểu bảng 4.8 và hình 4.5 cho thấy:

- Giá trị COP tăng khi nhiệt độ giảm;

Nồng độ 0,400 Nồng độ 0,411 Nồng độ 0,420

- Tại thời gian 180 phút giá trị COP lớn nhất là ở chế độ 03, COP = 0,484 với nồng độ 0,420 COP nhỏ nhất là ở chế độ 01 có tỷ lệ nồng độ môi chất là 0,400, COP = 0,308 Giá trị COP tại thời điểm 180 phút ở 5 chế độ vận hành thực nghiệm được thể hiện trên hình 4.6

Hình 4.6 COP của các chế độ thực nghiệm ở thời điểm 180 phút

Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ cặp môi chất NH 3 /H 2 O đến năng suất lạnh

4.6 Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ cặp môi chất NH 3 /H 2 O đến năng suất lạnh

Tổng hợp kết quả tính toán kiểm tra năng suất lạnh của thiết bị khi hoạt động ở các tỷ lệ môi chất có nồng độ khác nhau được trình bày trong bảng 4.12

Tỷ lệ nồng độ cặp môi chất NH 3 /H 2 O

Bảng 4.11 Bảng tổng hợp năng suất lạnh [kW] của thiết bị ở các chế độ vận hành

Từ bảng số liêu tính toán trên ta vẽ được đồ thị năng suất lạnh theo thời gian hình 4.4 và năng suất lạnh max của thiết bị ở từng chế độ như sau:

Hình 4.7 Biến thiên năng suất lạnh của thiết bị theo thời gian

Hình 4.8 Năng suất lạnh của các chế độ có tỷ lệ nồng độ khác nhau

Năng suất lạnh của thiết bị phụ thuộc vào nhiệt độ và tỷ lệ nồng độ môi chất Khi nhiệt độ giảm, năng suất lạnh tăng, khi nồng độ tăng, năng suất tăng;

Năng suất lạnh ở nồng độ 0,420 ÷0,436 đạt giá trị lớn nhất Q0=1,497 [kW] ≈ 1,50 [kW] còn ở nồng độ 0,400 ÷ 0,411 có giá trị nhỏ nhất Q 0 = 1,49 [kW]

Như vậy, khi thiết kế MLHT năng suất lạnh yêu cầu Q0 = 1,5 [kW], khi MLHT hoạt động ở chế độ tĩnh, năng suất gần đạt theo thiết kế

Nhận xét : Qua quá trình vận hành thực nghiệm ở 5 chế độ có tỷ lệ nồng độ cặp môi chất khác nhau của MLHT trên cho thấy:

+ Mô hình hoạt động ổn định, vận hành tương đối dễ dàng, được chế tạo phù hợp với thiết kế và yêu cầu;

N ăn g su ất lạ n h [ kW]

Tỷ lệ nồng độ cặp môi chất NH 3 /H 2 O

+ Nhiệt độ làm lạnh của mỗi chế độ phụ thuộc vào tỷ lệ nồng độ cặp môi chất

NH 3 /H 2 O Nồng độ 0,420 thì máy hoạt động hiệu quả và có nhiệt độ làm lạnh sau nhất;

+ Các thiết bị đo lường được lắp đặt hợp lý thuận lợi cho việc lấy số liệu ở các chế độ