Nghiên cứu các giải pháp sử dụng máy lạnh hấp thụ hiệu quả

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan ằr ng giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc H Học viên thực Luận văn H U TE C (Ký ghi rõ họ tên) TRẦN TRUNG KIÊN ii LỜI CÁM ƠN , anh chị, bạn bè : trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ H Bùi Xuân Lâm C - U TE Tất người thân, bạn bè đồng nghiệp động viên, giúp đỡ tác giả trình học tập trình làm luận văn H Trần Trung Kiên iii TÓM TẮT Với hai ưu điểm lớn hoạt động nguồn nhiệt thải, lượng mặt trời môi chất làm việc không gây tác hại môi trường, máy lạnh hấp thụ ngày sử dụng phổ biến Con người biết thay từ máy nước nóng dùng điện sang dùng lượng mặt trời để tiết kiệm lượng, bảo vệ môi trường, thực tế cho thấy hầu hết hộ cao cấp lắp H máy nước nóng sử dụng lượng mặt trời Vì ý tưởng thay máy lạnh dùng điện sang dùng lượng mặt trời khả thi  Kết cấu nguyên lý hoạt động máy lạnh hấp thụ so sánh với U TE loại máy lạnh khác  C Với ý tưởng đó, luận văn tập trung nghiên cứu vấn đề sau: Các nguồn lượng sử dụng máy lạnh hấp thụ: phân tích hiệu quả, kết cấu hệ thống Đề xuất mơ hình máy lạnh hấp thụ sử dụng lượng mặt trời cho hộ  Tính toán thiết kế sơ máy lạnh hấp thụ H O/LiBr làm hệ thống điều hòa H  trung tâm cho hộ cao cấp  So sánh hiệu kinh tế máy lạnh hấp thụ sử dụng lượng mặt trời với máy lạnh dùng điện cho hộ cao cấp iv ABSTRACT Compared to other types of refrigerators, absorption refrigerators show big advantages such as the required energy sources can be exhausted gas or solar energy and almost no environment pollution as a result Recently, many types of water heaters used for houses and offices are using solar energy Therefore, it is feasible to use the solar energy for absorption refrigerators Analyze the structure and the operating principles of absorption C  H This project investigates the following problems: refrigerators, and compare to other types of refrigerators Analyze the efficiency of different power sources using for the absorption U TE  refrigerators  Propose the model of the absorption refrigerator using for house (with solar power as the power source)  Calculate, design H O/LiBr absorption refrigerator for the central air  H conditioning system for a luxury apartment Compare the economic efficiency of solar power refrigerator and electricity power refrigerator v Danh mục từ viết tắt 10 Danh mục bảng 2.1 Bảng giá trị hệ số a ij [ Entanpi dung dịch ] 2.2 Bảng giá trị hệ số a ij [ Khối lượng riêng dung dịch ] 2.3 Bảng giá trị hệ số a ij [ Entanpi tác nhân lạnh ] 2.4 Bảng giá trị hệ số a ij [ Nhiệt độ bão hòa tác nhân lạnh ] 2.5 Bảng giá trị hệ số a ij [ Nồng độ dung dịch ] 2.6 Bảng giá trị hệ số bậc biến H 3.1 Giá trị thông số trạng thái đặt trưng C 3.2 Bảng thông số xạ mặt trời vùng giới 3.3 Bảng thông số xạ mặt trời thành phố Hồ Chí Minh U TE 3.4 Bảng thông số xạ mặt trời Hà Nội 11 Danh mục biểu đồ, đồ thị, sơ đồ, hình ảnh 1.1 Máy lạnh hấp thụ hãng Broad 1.2 Máy lạnh hấp thụ hãng TRANE H 1.3 Máy lạnh hấp thụ hãng DAIKIN 1.4 Máy lạnh hấp thụ hãng McQuay 1.5 Máy lạnh hấp thụ hãng YORK 2.1 Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ 2.2 Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ cấp 2.3 Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ hai cấp 2.4 Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ ba cấp 2.5 Chu trình máy lạnh hấp thụ cấp đồ thị Dühring “Entanpi - Nhiệt độ - Nồng độ” vi 2.6 Chu trình máy lạnh hấp thụ cấp đồ thị Dühring “Áp suất - nhiệt độ - nồng độ” 2.7 Bình phát sinh 2.8 Bình ngưng tụ 2.9 Bình bay 2.10 Bình hấp thụ 2.11 Bình hồi nhiệt 3.1 Chu trình máy lạnh hấp thụ đồ thị log p – T đồ thị i – c H U TE C H 3.2 Các bảng số liệu tính chất nhiệt động bảng thông số nhiệt vật lý dung dịch H O/LiBr Chương : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt Vấn Đề Từ hàng ngàn năm trước, người biết sử dụng băng tuyết để bảo quản thực phẩm kỹ thuật làm lạnh tự nhiên sử dụng đến tận đầu kỷ 18 Năm 1834, máy lạnh giới chế tạo nhà khoa học Jacop Perskin đánh dấu bước tiến người kỹ thuật làm lạnh, kỹ thuật làm lạnh nhân tạo Kể từ đó, kỹ thuật làm lạnh không ngừng nghiên cứu, phát triển máy lạnh khơng cịn dùng để bảo quản thực phẩm Đã có nhiều loại máy lạnh phát minh chế tạo như: máy lạnh nén hơi, H máy lạnh hấp thụ, máy lạnh ejector, máy lạnh nhiệt điện đó, đáng ý loại máy lạnh nén Máy lạnh nén hoạt động dựa nguyên lý sử dụng C qúa trình sơi, hóa trình ngưng tụ loại chất lỏng (tác nhân lạnh) để nhận nhiệt lượng từ đối tượng cần làm lạnh nhả mơi trường bên ngồi U TE với lượng cấp vào cho chu trình làm việc Với nhiều ưu điểm như: hệ số COP (hệ số làm lạnh) cao, kết cấu nhỏ gọn, làm việc tin cậy, giá thành thấp, phạm vi áp dụng rộng… máy lạnh nén loại máy lạnh chế tạo sử dụng phổ biến so với loại lại Tuy nhiên, giới đối mặt với hai vấn đề lớn, ô nhiễm môi H trường sống nguồn dầu mỏ cạn kiệt, mà máy lạnh nén yếu tố làm tăng tính nghiêm trọng hai vấn đề Đa số tác nhân lạnh (chất CFC HCFC) sử dụng máy lạnh nén có tác hại phá hủy tầng ozone gây hiệu ứng nhà kính; lượng hoạt động (cơ năng) máy lạnh phần lớn bắt nguồn từ dầu mỏ việc tiêu thụ dầu mỏ sản sinh khí gây hiệu ứng nhà kính Vì thế, người phải cân nhắc lại khả ứng dụng máy lạnh nén Có biện pháp thực nhằm giảm thiểu tác hại việc sử dụng máy lạnh như: thay tác nhân lạnh chất CFC chất HFC; hạn chế sử dụng dầu mỏ cách chuyển sang sử dụng dạng lượng khác lượng mặt trời, lượng gió, lượng nước… Tuy nhiên, biện pháp thực cách có hiệu sớm chiều Trong bối cảnh đó, máy lạnh hấp thụ trở thành giải pháp hiệu giúp giải vấn đề mà máy lạnh nén gặp phải Về nguyên lý hoạt động, máy lạnh hấp thụ sử dụng qúa trình sơi, hóa q trình ngưng tụ tác nhân lạnh để nhận nhiệt lượng từ vật cần làm lạnh thải môi trường, nhiên, lượng cấp vào chu trình làm việc lại nhiệt Máy lạnh hấp thụ có hai ưu điểm lớn tác nhân lạnh không gây tác hại môi trường nhiệt lượng cấp vào máy lạnh hấp thụ lấy từ nguồn nhiệt thải khí xả động diesel, khí xả lò luyện kim, nước làm mát động cơ… từ lượng mặt trời, từ việc đốt loại nhiên liệu trấu, than bùn H Thực tế, máy lạnh hấp thụ phát minh từ năm 1858 nhà khoa học C người Pháp Ferdinand Carré không cạnh tranh với máy lạnh nén có nhược điểm kích thước lớn hệ số làm lạnh thấp Tuy nhiên, với ưu U TE điểm sẵn có cộng tiến người kỹ thuật chế tạo vật liệu, ngày nay, máy lạnh hấp thụ sản xuất rộng rãi bước cạnh tranh với máy lạnh nén hai lĩnh vực làm lạnh điều hịa khơng khí Ở Việt Nam, máy lạnh hấp thụ nhập sử dụng hạn chế Như nói, máy lạ nh hấp thụ hoạt động với nguồn nhiệt lượng mặt H trời, khí xả từ động diesel, nước làm mát động cơ… Vì t hế, mục tiêu mà đề tài hướng đến xây dựng sở lý thuyết tí nh toán, thiết kế máy lạnh hấp thụ hoạt động lượng mặt trời cho hộ cao cấp Kết nghiên cứu đề tài làm tảng cho việc tính tốn hệ thống điều hịa khơng khí dạng hấp thụ sử dụng cho hộ gia đình 1.2 Đối tượng nghiên cứu đề tài Hiện hầu hết hệ thống lạnh sử dụng công nghiệp dân dụng kiểu nén Hàng năm, hệ thống tiêu tốn chi phí lớn cho lượng hoạt động có nguy gây nhiều tác động xấu đến môi trường Với hai ưu điểm lớn hoạt động nguồn nhiệt từ mặt trời môi chất làm việc không gây tác hại đến môi trường, máy lạnh hấp thụ thích hợp thay máy lạnh nén làm hệ thống điều hòa trung tâm cho tịa nhà chạy song song với máy lạnh nén để tiết kiệm lượng bảo vệ mơi trường Vì thế, đối tượng mà đề tài muốn nghiên cứu máy lạnh hấp thụ hoạt động nguồn nhiệt từ mặt trời cho hộ cao cấp 1.3 Mục tiêu đề tài Mục tiêu mà đề tài hướng đến xây dựng thành công phần sở lý thuyết tính tốn thiết kế máy lạnh hấp thụ hoạt động lượng mặt trời dùng với mục đích điều hịa khơng khí cho hộ cao cấp Từ kết nghiên cứu đề tài, tiến đến nghiên cứu chế tạo máy lạnh hấp thụ sử dụng cơng nghiệp dân dụng, góp phần cải thiện môi trường s ống H người, tiết kiệm lượng thương mại hóa thiết bị C 1.4 Tính cấp thiết tầm quan trọng đề tài Máy lạnh hấp thụ nghiên cứu, chế tạo thương mại hóa từ lâu U TE nước Mỹ, Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản…Ở nước ta, số lượng cơng trình nghiên cứu máy lạnh hấp thụ hạn chế, máy lạnh hấp thụ chế tạo chủ yếu với mục đích thí nghiệm, nghiên cứu chưa có đơn vị có khả chế tạo máy lạnh hấp thụ với mục đích thương mại Đây thua thiệt so với nước H Kết nghiên cứu đề tài cộng với công trình nghiên cứu khác nhà khoa học nước tảng cho ngành chế tạo máy lạnh hấp thụ tương lai nước ta, giúp Việt Nam theo kịp xu hướng phát triển giới 1.5 Tình hình nghiên cứu nước giới 1.5.1 Tình hình nghiên cứu nước Ở Việt Nam, có số cơng trình nghiên cứu máy lạnh hấp thụ như: Đề tài KH CN cấp nhà nước “Nghiên cứu lựa chọn quy trình cơng nghệ, thiết kế, chế tạo số thiết bị lạnh sử dụng nguồn lượng rẻ tiền địa phương để phục vụ sản xuất đời sống” PGS.TS Trần Thanh Kỳ, trường Đại học Bách Khoa TP.HCM Với đề tài này, PGS.TS Trần Thanh Kỳ nghiên cứu chế tạo thành công máy lạnh hấp thụ NH3/H2O dùng để sản xuất nước đá, sử dụng than cám (hoặc phế phẩm khác trấu, mùn cưa…) làm chất đốt hoạt động Thiết bị thích hợp ứng dụng cho vùng thiếu điện có sẵn nguồn chất đốt Máy sản xuất nước đá nước đá viên với tốc độ nhanh với giờ, với công nghệ cũ việc kéo dài 20 giờ, giá thành sản xuất nước đá rẻ so với sử dụng điện Ưu điểm hệ thống tận dụng nguồn chất đốt sẵn có để hoạt động, thời gian chi phí s ản xuất nước đá Tuy nhiên, hệ thống lại có nhược điểm kích thước lớn, H chi phí đ ầu tư ban đầu chi phí bảo dưỡng lớn, hệ số làm lạnh thấp, việc đốt than cám C tạo khí đ ộc… Đến nay, hệ thống chưa ứng dụng thực tế Cơng trình “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thực nghiệm mẫu máy lạnh U TE hấp phụ sử dụng lượng mặt trời với cặp môi chất than hoạt tính methanol” tác giả Hồng Dương Hùng, trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng đồng tác giả Trần Ngọc Lân, Sở Khoa học Công nghệ Quảng Trị Với cơng trình nghiên cứu này, hai tác giả Hoàng Dương Hùng Trần Ngọc Lân nghiên cứu chế tạo thành công máy lạnh hấp phụ dùng sản xuất H nước đá hoạt động lượng mặt trời Máy lạnh hấp phụ có ưu điểm kết cấu gọn nhẹ, hoạt động lượng mặt trời nên gần khơng tốn chi phí cho lượng hoạt động Tuy nhiên, thiết bị lại có nhược điểm lớn làm lạnh gián đoạn, cơng suất nhỏ, chi phí cao, chưa thể ứng dụng vào thực tế Ngồi ra, cịn có số cơng trình nghiên cứu máy lạnh hấp thụ nhà khoa học khác nước 1.5.2 Tình hình nghiên cứu giới Trên giới, máy lạnh hấp thụ nghiên cứu, chế tạo từ lâu, sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực • Chọn nhiệt độ nước làm mát khỏi bình ngưng tụ là: H • Chọn nhiệt độ ngưng tụ tác nhân lạnh U TE C bình ngưng là: H • Tra bảng nước nước bão hòa ta áp xuất ngưng tụ tác nhân lạnh bình ngưng tụ là: PK =0,07375(bar) 3.3 Xác định điểm nút chu trình H U TE C H Sau tính tốn ta có bảng tổng hợp sau: U TE C 2’ t=400C P= 0,07375 bar C= % i= 167,50 kJ/kg H t=40C P= 0,008439bar C= % i= 167,50kJ/kg ` ` t= 85,60 0C P= 0,07375 bar C= % i= 2660,64 kJ/kg H t=75,550C P=0,07375 bar C=55,54% i=169,2389 kJ/kg 3’ t=40C P= 0,008439bar C= % i= 167,50kJ/kg 3’’ t=40C P= 0,008439bar C= % i= 2508,196kJ/kg t=650C P= 0,07375 bar C=55,54% i= 147,6971 kJ/kg t=950C P= 0,07375 bar C=64,90% i= 242,8047 kJ/kg t= - 0C P= 0,07375 bar C=64,90% i= 173,844kJ/kg t=360C P= 0,008439bar C=55,54% i= 88,6816kJ/kg Tính tốn phụ tải cho thiết bị TE C H • Lưu lượng tác nhân lạnh qua bình bay hơi: H U • Lưu lượng dung dịch lỗng vào bình phát sinh: • Lưu lượng dung dịch đậm đặc khỏi bình phát sinh: • Nhiệt lượng cần thiết cấp cho dung dịch bình phát sinh là: C H • Nhiệt lượng mà nước tỏa trình ngưng tụ bình ngưng là: H U TE • Theo liệu ban đầu ta có: • Nhiệt lượng dung dịch nhả cho nước làm mát bình hấp thụ là: • Nhiệt lượng trao đổi dung dịch loãng dung dịch đậm đặc bình hồi nhiệt H U TE C H 3.5 Kiểm tra đáp ứng từ mơi trường H • Dựa vào bảng thông số ta thấy thời điểm vào khoảng tháng => tháng 10 có thơng số xạ nhỏ mùa mưa Ta chọn xạ mặt trời thành phố Hồ chí Minh trung bình ngày là: C Qs = 4.57 kWh/m2/d U TE • Chọn hiệu suất hấp thụ xạ nhiệt collector dạng ống η = 0.702 H • Diện tích mái nhà: Sm = 9.2 x = 73.6 m2 • Hệ thống collector dạng ống hấp thụ lượng mặt trời phân bố phần mái nhà có diện tích Sc = 25 m2 • Tổng lượng Collector nhận ngày Qc = Qs x Sc x η = 4.57 x 25 x 0.702 = 80.2 kWh H • Nhiệt lượng cần thiết cấp cho dung dịch bình phát sinh là: C Qg = 2.957 kW U TE • Năng lượng cần thiết để máy lạnh hoạt động liên tục 24h là: H Qt = 24 x 2.957 = 70.968 kWh • Ta thấy Qc > Qt • Kết luận: hệ thống cung cấp lạnh cho hộ cách liên tục 24/24h • Tính tốn tương tự cho thành phố Hà Nội, ta xác định nhiệt lượng cần thiết cấp cho dung dịch bình phát sinh là: H Qg = 2.957 kW TE C • Nhiệt lượng cần thiết để máy lạnh hoạt động liên tục 24h là: U Qt = 24 x 2.957 = 70.968 kWh H • Ta thấy Qc > Qt • Kết luận: hệ thống cung cấp lạnh cho hộ cách liên tục 24/24h So sánh máy lạnh hấp thụ với máy lạnh thông thuờng dùng điện H • Chọn hiệu suất tiêu thụ điện máy lạnh n = 0.8 TE C • Công suất điện cần thiết để tạo 2.25 Kw lạnh U Qd = 2.25 / 0.8 = 2.8125 Kw H • Giả sử nhu cầu lạnh hộ trung bình 10h/ngày máy lạnh chạy khoảng 75% cơng suất có lúc chạy, lúc nghỉ • Tổng công suất tiêu thụ điện năm là: Qn = 2.8125 x x 24 x 365 x 65 % H = 73912.5(kWh) C • Chọn giá điện thấp điện lực thành phố Hồ Chí TE Minh là: 990 Vnd / 1Kwh H U • Số tiền phải trả năm là: 73912.5 x 990 = 73 173 375 Vnd • Qua kết tính tốn cho thấy rõ lợi ích máy lạnh hấp thụ Nếu dùng điện phải 70 triệu Kết Luận H U TE C H • Máy lạnh hấp thụ giải pháp góp phần bảo vệ mơi trường tiết kiệm lượng • Máy lạnh hấp thụ có chi tiết chuyển động, kết cấu đơn giản Vì vậy, việc vận hành máy lạnh đơn giản, độ tin cậy cao, làm việc ồn rung • Chi phí vận hành thấp áp dụng nơi thiếu điện • Có thể áp dụng nước • Trong tương lai sử dụng rộng rãi thay máy lạnh nén Các kết đề tài đạt được: H U TE C H • Phân tích kết cấu nguyên lý hoạt động máy lạnh hấp thụ so sánh với loại máy lạnh khác • Phân tích hiệu nguồn lượng sử dụng cho máy lạnh hấp thụ ( Chủ yếu lượng mặt trời ) • Đề xuất mơ hình máy lạnh hấp thụ sử dụng lượng mặt trời cho hộ • Tính tốn thiết kế sơ máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr làm hệ thống điều hòa khơng khí cho hộ cao cấp • Kiểm tra đáp ứng lượng từ mơi trường • So sánh hiệu kinh tế máy lạnh hấp thụ sử dụng lượng mặt trời với máy lạnh dùng điện cho hộ cao cấp Hướng phát triển luận văn • Ứng dụng kết nghiên cứu luận văn để thiết H kế chế tạo máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr sử dụng mại hóa sản phẩm TE C lượng mặt trời thực tế cho hộ, thuơng H U • Dự báo khả sử dụng máy lạnh hấp thụ lượng cho vùng miền nước H C TE U H ... 1.1 Máy lạnh hấp thụ hãng Broad 1.2 Máy lạnh hấp thụ hãng TRANE H 1.3 Máy lạnh hấp thụ hãng DAIKIN 1.4 Máy lạnh hấp thụ hãng McQuay 1.5 Máy lạnh hấp thụ hãng YORK 2.1 Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp. .. này, máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr ba cấp chưa sử dụng phổ biến thực tế 2.1.5.4 Các loại máy lạnh khác Ngoài ba loại máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr nêu loại máy lạnh hấp thụ khác như: máy lạnh hấp thụ. .. trung nghiên cứu vấn đề sau: Các nguồn lượng sử dụng máy lạnh hấp thụ: phân tích hiệu quả, kết cấu hệ thống Đề xuất mơ hình máy lạnh hấp thụ sử dụng lượng mặt trời cho hộ  Tính toán thiết kế sơ máy