Bài viết trình bày kết quả chế tạo được một mô hình máy lạnh hiệu ứng xoáy phục vụ cho việc đào tạo trang bị thêm kiến thức cho sinh viên chuyên ngành.
120 Hồ Trần Anh Ngọc NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG MÁY LẠNH NHỜ HIỆU ỨNG XOÁY ĐỂ SẢN XUẤT NƯỚC LẠNH VÀ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ RESEARCH ON AND APPLICATION OF VORTEX EFFECT REFRIGERATION TO PRODUCE COLD WATER AND AIR CONDITIONERS Hồ Trần Anh Ngọc Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng; anhngoctr@yahoo.com Tóm tắt - Trong thực tế nay, nguồn khí nén, khí thải dư thừa từ xí nghiệp, nhà máy khơng sử dụng gây lãng phí Vì việc vận hành máy lạnh hiệu ứng xoáy từ việc tận dụng nguồn khí thải dư thừa vừa tiết kiệm điện năng, vừa góp phần giải vấn đề mơi trường, giảm chi phí sản xuất Bên cạnh đó, việc dùng máy lạnh hiệu ứng xoáy để sản xuất nước lạnh, cung cấp nguồn nước uống mát lạnh phục vụ cho cơng nhân xí nghiệp, nhà máy, ứng dụng để làm điều hồ khơng khí, cung cấp nguồn khơng khí mát mẻ cho mơi trường làm việc khu vực sản xuất nhà máy, xí nghiệp, góp phần nâng cao hiệu lao động cơng nhân Hơn nữa, kết nghiên cứu mình, tác giả chế tạo mơ hình máy lạnh hiệu ứng xoáy phục vụ cho việc đào tạo trang bị thêm kiến thức cho sinh viên chuyên ngành Abstract - In fact, today, the compressed air supply and excess exhaust from enterprises and factories are not used ,which is quite wasteful So, using vortex effect refrigeration from the utilization of excess emission sources not only saves energy but also contributes to solving environmental problems and reducing production costs Besides, using vortex effect refrigeration can produce cold water, provide cool drinking water to workers in factories and enterprises.The method can also be applied to produce air conditioners, supply cool air to the working environment at production sites of plants and enterprises, contributing to improving labor efficiency of workers Moreover, in their research, the authors have built a vortex effec refrigerator model to be used for training and equipping specialized students with useful practical knowledge Từ khóa - khí thải dư thừa; máy lạnh hiệu ứng xốy; mơi trường; nước lạnh; điều hồ khơng khí; mơ hình máy lạnh Key words - excess emissions; refrigeration with vortex effect; environment; cold water; air-conditioning; refrigerator model Đặt vấn đề Trong giai đoạn nay, giá loại nhiên liệu có xăng, dầu, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG, có phần cải thiện theo xu hướng giảm thị trường giới, nhiên nguồn lượng hóa thạch ngày khan trở nên gần cạn kiệt, vấn đề tiết kiệm lượng trở nên cấp bách hết Đi đơi với việc tìm kiếm nguồn lượng lượng mặt trời, lượng gió, địa nhiệt, biogas, Biomass, lượng thuỷ triều… để thay thế, cần phải biết sử dụng có hiệu nguồn lượng, giảm tổn thất cách đưa mơ hình thiết bị có tính sáng tạo, có hiệu làm việc cao hơn, tận dụng nguồn phế thải để tái sử dụng Đặc biệt, ngày nay, sống ngày nâng cao nhu cầu thoả mãn đời sống tinh thần ý, lĩnh vực lạnh điều hồ khơng khí Vì vậy, việc lựa chọn nghiên cứu máy lạnh nhờ hiệu ứng xốy có lý sau: - Nhu cầu máy lạnh để phục vụ làm lạnh nước cung cấp nguồn nước uống làm điều hồ khơng khí có chi phí lớn tốn nhiều điện năng, máy lạnh sử dụng hiệu ứng xoáy tiết kiệm chi phí điện - Các nguồn khí nén thải dư thừa từ xí nghiệp, nhà máy khơng sử dụng lãng phí - Việc sử dụng máy lạnh nhờ hiệu ứng xốy góp phần giải vấn đề mơi trường - Giảm chi phí sản xuất, nâng cao hiệu lao động nhà máy, xí nghiệp 2.1 Làm lạnh nhân tạo giãn nở đoạn nhiệt không sinh ngoại công (Làm lạnh nhờ hiệu ứng tiết lưu) Dựa vào đặc điểm trình tiết lưu trình giảm áp suất ma sát mà không sinh ngoại công môi chất chuyển động qua vị trí có trở lực tăng lên đột ngột (ví dụ van tiết lưu, ống mao) [2], [3] Các phương pháp làm lạnh sử dụng thực tế Hiện nay, có nhiều phương pháp làm lạnh khác đưa vào nghiên cứu triển khai sử dụng thực tế sau: Hình Hệ thống lạnh dùng thiết bị tiết lưu Hệ thống lạnh phức tạp tốn điện 2.2 Làm lạnh giãn nở đoạn nhiệt sinh ngoại cơng Đó q trình giãn nở chất khí đẳng entropi từ áp suất cao đến áp suất thấp Phương trình: dS = Hiệu ứng giãn nở đọan nhiệt: tỉ số biến thiên nhiệt độ với biến thiên áp suất q trình giãn nở đẳng entropi Ta có: dT s dP s v T T p Cp 0 (1) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN ’’ ’ Đồng thời: s > 0, T < T : Nhiệt độ sau giãn nở entropi giảm [2], [3] * Chu trình lý thuyết hoạt động tương tự chu trình máy lạnh sử dụng van tiết lưu Tuy nhiên, so sánh với hệ thống sử dụng thiết bị tiết lưu hệ thống lạnh sử dụng thiết bị giãn nỡ cồng kềnh, khó chế tạo đắt tiền 2.3 Làm lạnh nhờ hiệu ứng nhiệt điện Peltier [2], [3] Khi cho dòng điện qua cặp bán dẫn khác đầu chất bán dẫn hấp thụ nhiệt, nóng dần lên, đầu bên tỏa nhiệt môi trường xung quanh, lạnh dần Nếu cho dòng điện chạy ngược lại đầu nhả nhiệt trở thành đầu hấp thụ nhiệt đầu thu nhiệt trở thành đầu nhả nhiệt 121 Hydro Bình chứa Hyđrơ dùng để cân áp suất nhiệt độ bên thay đổi Hệ thống lạnh tận dụng nguồn nhiệt thải hiệu không cao 2.5 Làm lạnh từ trường [1], [4] Phương pháp làm lạnh dựa vào nguyên lý làm lạnh từ nhiệt Ở ta thực trình khử từ cách đoạn nhiệt, entropy từ tăng lên dẫn đến giảm entropy mạng làm vật từ bị lạnh Nếu ta làm biến đổi entropy từ lớn, dẫn đến khả làm lạnh lớn Người ta sử dụng hiệu ứng để tạo nhiệt độ siêu thấp, tới hàng mili Kelvin cho kỹ thuật nhiệt độ thấp Chiếu xạ nhiệt Từ trường T1 I + _ E T2 Hình Hiệu ứng Peltier Hình Làm lạnh hiệu ứng từ nhiệt Nhiệt lượng: Q = .I Với: hệ số tỉ lệ Peltier; I cường độ dịng điện Ta có: = T Đầu nóng T1 có: 1 = T1 Q1 = T1.I (2) Đầu lạnh T2 có: 2 = T2 Q2 = T2.I (3) * Máy lạnh Peltier có ưu điểm khơng có phận chuyển động nên khơng ồn, độ tin cậy cao; Khơng có mơi chất nên khơng sợ rị rỉ, khơng tính sức bền; Cấu tạo thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, dễ sử dụng Tuy nhiên, loại máy lạnh có nhược điểm: nhỏ, tiêu hao nhiều điện 2.4 Làm lạnh nhờ hấp thụ [2], [5] Phương pháp làm lạnh hấp thụ thực nhờ phản ứng hố nhiệt liên tiếp mơi chất làm lạnh chất hấp thu Trong đó, mơi chất có nhiệt độ sôi thấp môi chất làm lạnh, môi chất có nhiệt độ sơi cao gọi mơi chất hấp thu vùng áp suất Môi chất làm lạnh NH3, H2O môi chất hấp thụ H2O, Br (Brôm) Trong kỹ thuật từ nhiệt, để có khả biến đổi nhiệt độ lớn, yếu tố quan trọng biến thiên entropy từ, phụ thuộc vào tính chất nội bên ngồi vật liệu theo cơng thức: S H max M dH (4) m T Còn độ biến thiên nhiệt độ viết gần tỉ lệ tuyến tính với biến thiên entropy từ: H max T M (5) T dH ad C (T , H ) T Trong kỹ thuật làm lạnh từ nhiệt, vấn đề tìm vật liệu thích hợp quan trọng 2.6 Hệ thống lạnh sử dụng Ejector [2], [3] Về tổng quan, nguyên lý hoạt động hệ thống lạnh Ejector tương tự hệ thống lạnh nén thông thường, ngoại trừ máy nén lạnh thay hệ thống gồm có Ejector, bình sinh bơm mơi chất (Hình 5) H2 c d qK qo qA H a qB qo e f qH Hình Máy lạnh kiểu hấp thụ Máy lạnh hoạt động có vịng tuần hồn, vịng tuần hồn dung dịch vịng tuần hồn thứ hai Hình Máy lạnh Ejector truyền thống loại có hồi nhiệt Hơi mơi chất nhiệt độ cao vào vòi phun Ejector tăng tốc, giãn nở sau qua vòi phun ống Laval để đạt đến tốc độ siêu âm Hơi môi chất lạnh với vận tốc cao khỏi vịi phun tạo vùng áp suất âm xung quanh miệng vịi phun Nhờ mà mơi chất lạnh từ dàn bay bị hút vào Ejector để hòa trộn với áp suất cao khỏi vịi phun buồng hòa trộn Tuy nhiên, hiệu máy lạnh Ejector không cao 122 Hồ Trần Anh Ngọc Nghiên cứu máy lạnh nhờ hiệu ứng xoáy Tác nhân sử dụng hiệu ứng xốy chất khí có áp suất cao nhiệt độ tương ứng xấp xỉ với nhiệt độ môi trường xung quanh, sử dụng xí nghiệp cơng nghiệp có dịng khơng khí nén dư thừa 3.1 Nghiên cứu lý thuyết 3.1.1 Sơ đồ cấu tạo thiết bị lạnh nhờ hiệu ứng xốy Mơ hình thiết bị lạnh nhờ hiệu ứng xốy trình bày Hình Dịng 2x khí lạnh 3x lớp bên ngồi Khi đến ty van 4, luồng khí chia làm hai phần, phần biên (Sát vỏ ống) theo khe hở ty van với vỏ ống ngồi với mơi trường xung quanh có thơng số 3x Một phần nhỏ lượng khí lớp gần tâm ống đập vào ty van tạo xoáy, chuyển động dội ngược trở lại vách chắn Trong trình chuyển động ngược chiều vịng ngồi biên vịng tâm xảy q trình trao đổi nhiệt từ vịng trung tâm dịng ngồi biên Các lớp khí bên ngồi nhận động năng, luồng khơng khí lớp ngoại biên nóng dần lên, luồng khơng khí tâm ngược lại bị lượng nên làm lạnh dần 3.1.4 Xác định đại lượng hiệu ứng xoáy [4] Ta đánh giá hiệu ứng xoáy theo trị số: Hệ số làm lạnh hiệu ứng xoáy: T (6) (càng bé tốt) l x T1 Hệ số làm nóng hiệu ứng xốy: n Dịng khí nóng T3 x T1 (7) (càng lớn tốt) Hiệu suất : Hình 6: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy lạnh hiệu ứng xoáy 3.1.2 Xây dựng đồ thị Ta xây dựng đồ thị trình làm lạnh nhờ hiệu ứng xoáy sau: - Trạng thái 1: trạng thái dịng khí nén có tốc độ cao vào ống tạo xoáy - Trạng thái 2x: trạng thái dịng khí lạnh chuyển động ngược lại có áp suất giảm nhiệt độ giảm đưa đến không gian phụ tải - Trạng thái 3x: trạng thái dịng khí nóng thốt, thải mơi trường bên Tx T1 T2 x Ts T1 T2 (8) 3.2 Nghiên cứu chế tạo thực nghiệm 3.2.1 Xây dựng mơ hình vẽ lý thuyết Ứng dụng phần mềm Space Claim để thiết kế mơ hình mẫu lý thuyết, cân đối chỉnh sửa phù hợp với kết cấu kích thước phù hợp với thực tế, đồng thời phù hợp với tính tốn chuyển động dòng tác nhân chuyển động ống Sau tính tốn thiết kế thiết bị với kích thước xác định, sử dụng phần mềm Space Claim để vẽ thiết bị với hình chiếu sau: T(0C) D3 V4 3x L1 L2 L3 D5 D2 D1 2x S(J/K) Hình Đồ thị thiết bị làm lạnh nhờ hiệu ứng xoáy 3.1.3 Ngun lý làm việc Khơng khí có áp suất cao qua vòi phun vào ống xoắn theo phương tiếp tuyến, ống phun lắp sát vách chắn Dòng xoắn giãn nở chạy ống Trong q trình chuyển động bên ống xốy, dịng xốy giảm Các lớp tâm có vận tốc góc lớn tạo thành dịng xốy Tốc độ góc biên nhỏ di chuyển ty van 4, tức có truyền động từ lớp bên Hình 8: Hình chiếu đứng, cạnh, nằm máy lạnh hiệu ứng xoáy Các kích thước mơ hình chế tạo trình bày Bảng Bảng Kích thước máy lạnh hiệu ứng xốy Lưu lượng khí Q1 Q2 Q3 Q4 Ghi ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN (m /phút) Mục 10 kích thước (mm) Chiều dài ống khí lạnh L1 300 550 Chiều dài thân ống trao đổi nhiệt L2 400 700 Chiều dài khoang khí nóng L3 180 320 Đường kính ống khí nén vào D1 100 180 Đường kính ống khí lạnh D2 180 330 Đường kính khoang khí 600 1050 nóng D3 Kích thước ống khí nóng V4 140 240 Đường kính khoang điều chỉnh 520 900 ty van D5 20 40 990 1225 570 325 605 1690 1960 910 550 1030 1840 3120 410 660 1560 2495 3.2.2 Xây dựng mô hình khơng gian máy lạnh nhờ hiệu ứng xốy Từ kích thước tính tốn tùy thuộc vào lượng khí nén từ nguồn phụ tải, ta xây dựng mơ hình máy lạnh hiệu ứng xốy Hình Dịng khí nóng Dịng khí nén vào Dịng khí lạnh (Được đưa đến phụ tải nhiệt) Hình Mơ hình khơng gian máy lạnh hiệu ứng xốy 3.2.3 Chế tạo máy lạnh nhờ hiệu ứng xốy Trên mơ hình thiết kế, tác giả triển khai chế tạo mơ hình thực nghiệm Hình 10: 123 ngồi, đồng thời điều chỉnh áp suất dịng khí nén ống chính, điều ảnh hưởng đến nhiệt độ gió lạnh đến khơng gian phụ tải Phụ tải sử dụng khơng gian phân xưởng, phịng máy móc thiết bị cần trang bị điều hịa khơng khí phục vụ cho đội ngũ cơng nhân, người lao động, dàn trao đổi nhiệt có nước lạnh chạy bên trong, tạo nước làm mát phục vụ cho người lao động, vào mùa hè - Để thay cho nguồn khí nén thừa từ nhà máy, xí nghiệp, dây chuyền sản xuất…, q trình làm thực nghiệm, tác giả sử dụng quạt gió cấp nguồn khí nén cho máy lạnh để đo đạc, lấy số liệu thực tế Dịng khí nén sau sử dụng xả môi trường 3.2.5 Điều kiện hoạt động máy lạnh hiệu ứng xoáy - Nguồn khí nén thừa từ nhà máy, xí nghiệp, phân xưởng sản xuất cần phải có áp lực lớn để đủ khả tạo xoáy chuyển động thiết bị tạo xốy nhờ bố trí tiếp tuyến - Dịng khí nén đưa vào máy tạo hiệu ứng xốy phải bụi bẩn khơng có khí độc, độc làm ảnh hưởng đến chất lượng phụ tải, sử dụng làm điều hịa khơng khí - Nhiệt độ dịng khí nén thải cao nhiệt độ môi trường (2-4)oC Kết luận Từ kết nghiên cứu lý thuyết chế tạo thực nghiệm mơ hình máy lạnh nhờ hiệu ứng xốy, so với mơ hình máy lạnh nay, ta thấy loại máy lạnh có ưu nhược điểm khác Việc sử dụng hệ thống máy lạnh nhờ hiệu ứng xốy giúp tiết kiệm phần lượng, góp phần cải thiện mơi trường, tránh lãng phí Đồng thời, qua nghiên cứu này, mơ hình chế tạo thực nghiệm áp dụng vào việc giảng dạy cho sinh viên chun ngành Nhiệt lạnh Mơ hình thí nghiệm cần thử nghiệm đo đạc thông số kỹ thuật tốc độ gió, áp suất dịng khí nén, lưu lượng dịng khí, nhiệt độ gió cửa ra, đồng thời cần tính tốn thêm tính động học khí động để đưa điều chỉnh thiết kế hợp lý phục vụ cho nhu cầu thực tế có nguồn khí nén thải dư thừa, góp phần tiết kiệm lượng bảo vệ mơi trường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Bốn, Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà xuất Đà Nẵng, 2005 Hình 10 Chế tạo thực tế máy lạnh nhờ hiếu ứng xoáy 3.2.4 Vận hành thử nghiệm máy lạnh hiệu ứng xốy - Tồn hệ thống máy lạnh lắp bệ đế đỡ, gá giữ chặt để tránh xê dịch chuyển động máy hoạt động - Điều chỉnh tay vặn van để di chuyển ti van, làm nón van chuyển động dọc theo trục nhằm điều chỉnh khe hở nón van thân vỏ Việc điều chỉnh khe hở làm ảnh hưởng nhiều đến khả khí thải bên , [2] Đinh Văn Thuận, Võ Chí Chính Hệ thống máy thiết bị lạnh, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2005 [3] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Kỹ thuật lạnh sở, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1992 [4] Bùi Hải, Dương Đức Hồng, Hà Mạnh Thư, Thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà xuất Khoa học Kỹ thụât, Hà Nội, 1999 [5] Trần Thanh Kỳ, Máy thiết bị lạnh, Đại học Quốc gia Hồ Chí Minh, 1992 (BBT nhận bài: 15/09/2015, phản biện xong: 28/10/2015) ... gian máy lạnh nhờ hiệu ứng xốy Từ kích thước tính tốn tùy thuộc vào lượng khí nén từ nguồn phụ tải, ta xây dựng mơ hình máy lạnh hiệu ứng xốy Hình Dịng khí nóng Dịng khí nén vào Dịng khí lạnh. .. tạo thực nghiệm mơ hình máy lạnh nhờ hiệu ứng xốy, so với mơ hình máy lạnh nay, ta thấy loại máy lạnh có ưu nhược điểm khác Việc sử dụng hệ thống máy lạnh nhờ hiệu ứng xoáy giúp tiết kiệm phần... phun Nhờ mà môi chất lạnh từ dàn bay bị hút vào Ejector để hòa trộn với áp suất cao khỏi vịi phun buồng hòa trộn Tuy nhiên, hiệu máy lạnh Ejector không cao 122 Hồ Trần Anh Ngọc Nghiên cứu máy lạnh