1.2.1. Kết quả nghiờn cứu trờn thế giới
Kể từ năm 1810, mỏy lạnh hấp thụ với cặp mụi chất H2O/H2SO4 đầu tiờn do Leslie (Phỏp) đưa ra, đến giữa thế kỉ XIX hệ thụ́ng này được phỏt triển rầm rộ nhờ vào kĩ sư Carrộ (Phỏp) với hàng loạt bằng phỏt minh về mỏy lạnh hấp thụ và liờn tục với cỏc cặp mụi chất khỏc nhau. Với chặng đường phỏt triển gần 200 năm, ngày nay cỏc loại MLHT khỏc nhau đó được hoàn chỉnh và sử dụng trong nhiều lĩnh vực ở nhiều nước trờn thế giới nhất là ở Nga, Nhật, Mỹ và Trung Quụ́c…[12]. Ví dụ một sụ́ cỏc cụng bụ́ về MLHT tận dụng nguồn nhiệt thải này phục vụ cho điều hũa khụng khớ, cỏc mỏy lạnh (Wang và cộng sự [43], Fernỏndez-Seara và cộng sự [38]).
Một trong những lĩnh vực khỏc được sử dụng MLHT với năng lượng mặt trời và nhiệt thải trờn tàu cỏ đó thu hỳt sự quan tõm của nhiều nhà khoa học.
Tỏc giả Wang [42] phõn tớch tiến trỡnh phỏt triển việc sử dụng cụng nghệ hấp thụ cho mục đích đỏp ứng cỏc nhu cầu lạnh trong tàu cỏ. Tỏc giả cho rằng cụng nghệ hấp thụ vẫn chưa thích nghi để sử dụng trờn tàu cỏ. Hệ thụ́ng hấp thụ rắn và hấp thụ NH3/H2O cú tiềm năng cao cho việc sử dụng năng lượng nhiệt thải.
Fernandez-Seara và cộng sự [38] chứng minh khả năng của MLHT sử dụng NH3/H2O để cung cấp cho hệ thụ́ng lạnh trờn tàu sử dụng một hệ thụ́ng thu hồi nhiệt thải của động cơ trờn tàu. Trong đú dầu tổng hợp được sử dụng như chất tải nhiệt, năng lượng nhiệt thu hồi từ động cơ khí xả là 16,6 kW và cụng suất làm lạnh của hệ thụ́ng là 8,33 kW. Cỏc tỏc giả tổng kết hiện nay loại mỏy lạnh nộn hơi được sử dụng chớnh trong cỏc tàu truyền thụ́ng (sử dụng đỏ vẩy để bảo quản cỏ) làm đỏ tan chảy chậm hơn. Cỏc tàu này khụng sử dụng bất kỳ hệ thụ́ng thu hồi nhiệt nào. Cỏc tỏc giả cũng tổng kết: đụ́i với những tàu cỏ được trang bị động cơ diesel bụ́n thỡ với cụng suất từ 700 kW đến 1200 kW cú sức chứa bảo quản từ (80ữ150) m3, cần cụng suất
26
làm lạnh từ (5ữ10) kW với nhiệt độ bảo quản là 0 oC và nhiệt độ bay hơi là õm 10 oC. Nếu lượng nhiệt lớn cú thể thu hồi từ động cơ này cú thể sử dụng trong hệ thụ́ng MLHT phục vụ cỏc nhu cầu làm lạnh nờu trờn.
Peranic và cộng sự [34] thiết kế và so sỏnh hệ thụ́ng mỏy lạnh nộn hơi dựng NH3 và MLHT dựng NH3/H2O chạy bằng nhiệt thu hồi từ khớ thải động cơ sử dụng ở tàu cú kớch thước trung bỡnh để làm lạnh nước biển. Tỏc giả tổng kết là khớ thải từ cỏc động cơ cú nhiệt độ 400 ºC và lấy khoảng 30 % tổng nhiệt đầu vào của nhiờn liệu và khoảng 28 % cho nước làm mỏt động cơ. Khi điều tra một động cơ diesel 700 kW thỡ năng lượng nhiệt phỏt thải là 425 kW. Như vậy, nhiệt thải cú thể được thu hồi và sử dụng trong MLHT để tăng hiệu suất năng lượng so với sử dụng chu trỡnh nộn hơi.
Trong cụng nghệ MLHT trờn tàu cần cú những vấn đề kỹ thuật đặc trưng, chủ yếu là việc xử lý cỏc mụi chất trong một hệ thụ́ng chuyển động cú gia tụ́c. Cấu hỡnh màng rơi thường được sử dụng trong cỏc thiết bị nhiệt của MLHT thương mại cú thể bị phỏ vỡ bởi sự chuyển động liờn tục, ảnh hưởng xấu đến quỏ trỡnh truyền nhiệt, truyền chất. Safarik và cộng sự [37] tổng kết một MLHT dựng H20/LiBr dựng năng lượng nhiệt thải cú sẵn từ động cơ chính hoặc cỏc mỏy phỏt điện diesel phự hợp với yờu cầu làm lạnh ở trờn tàu và sử dụng để cung cấp cho hệ thụ́ng HVAC trong tàu chở hàng. MLHT này đó được điều chỉnh bờn trong để trỏnh xỏo trộn mụi chất làm lạnh với cỏc giải phỏp trong điều kiện nhất định trờn biển và để cho phộp cỏc mỏy làm lạnh thớch ứng với điều kiện nghiờng tĩnh và động. Thực hiện thử nghiệm MLHT cú cụng suất danh nghĩa 140 kW tại một cơ sở thử nghiệm hải quõn Đức trong điều kiện biển thực. COP của hệ thụ́ng giảm khoảng 14 % so với hoạt động bỡnh thường khi mỏy làm lạnh hoạt động liờn tục ở độ nghiờng động ±20 º. Cỏc tỏc giả kết luận cụng suất làm lạnh lắp đặt trong một tàu hàng húa thụng thường tàu thay đổi từ 150 kW đến 500 kW và tiờu thụ 5 % đến 15 % năng lượng cung cấp trờn tàu khi hoạt động trờn biển. Tỏc giả bỏo cỏo cỏc thiết bị làm lạnh hấp thụ cho cỏc ứng dụng biển phải hoạt động tin cậy ngay cả trong điều kiện súng mạnh (động
27
± 22,5º, tĩnh 15º ) và phải bền cơ học để chịu được lực gia tụ́c (± 0,8 g) và rung động.
Cặp mụi chất NH3/H2O cú ỏp suất làm việc cao hơn nờn cho phộp sử dụng thiết bị hấp thụ kiểu bọt và bỡnh sinh hơi loại thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm được coi là ớt bị ảnh hưởng bởi gúc nghiờng của mỏy. Cerezo và cộng sự [24] và Tỏboas và cộng sự [39] nghiờn cứu quỏ trỡnh hấp thụ với hỗn hợp NH3/H2O sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm ở điều kiện vận hành cú rung lắc. Kết quả thực nghiệm cho thấy tớnh khả thi của chu kỳ hấp thụ sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm. Hạn chế của việc sử dụng cặp chất NH3/H2O trong chu trỡnh hấp thụ là hơi sau khi ra khỏi bỡnh sinh hơi phải được tinh cất trước khi vào bỡnh ngưng. Do đú, cần cú một thỏp tinh cất ở phớa trờn của bỡnh sinh hơi. Tuy nhiờn, như Fernỏndez-Seara và cộng sự [38] chỉ ra hoạt động của cột chưng cất cũng cú thể bị ảnh hưởng bởi độ nghiờng của tàu và bởi sự thiếu hụt NH3 tinh khiết với hàm lượng nước đỏng kể cú thể tới được thiết bị bay hơi (nơi nước cú xu hướng tích lũy) dẫn đến làm giảm hiệu quả của chu kỳ.
Hỗn hợp mụi chất làm việc NH3/LiNO3 đó được nghiờn cứu để trỏnh việc sử dụng cỏc cột chưng cất trong mỏy lạnh hấp thụ NH3. Việc sử dụng hỗn hợp này làm giảm nhiệt độ yờu cầu cho nguồn nhiệt, đồng thời làm cho nú phự hợp hơn với cỏc ứng dụng làm mỏt sử dụng năng lượng mặt trời. Phõn tớch nhiệt động lực học của chu kỳ làm lạnh hấp thụ sử dụng NH3/LiNO3 dự đoỏn cú COP cao hơn so với mỏy sử dụng cặp chất NH3/H2O (Chinnappa [25], Antonopoulos và Rogdakis [20], Heard [28], Ayala và cộng sự [21], Rivera và Rivera [36]).
Mặc dự cặp mụi chất NH3/LiNO3 cú những ưu điểm trờn, nhưng chu trỡnh hấp thụ sử dụng cặp chất này vẫn chưa được thương mại hoỏ. Kết quả thực nghiệm thu được thấp hơn kỳ vọng. Trong cỏc thớ nghiệm, Rivera và Best [35] thu được hệ sụ́ truyền nhiệt trong điều kiện sụi NH3/LiNO3 và NH3/H2O. Cỏc tỏc giả bỏo cỏo rằng hệ sụ́ truyền nhiệt của NH3/LiNO3 thấp hơn 2 đến 3 lần so với NH3/H2O. Heard [28] đề cập đến giỏ trị COP đạt được và năng suất làm lạnh giảm so với giỏ trị mong đợi chủ yếu do hiệu suất của quỏ trỡnh hấp thụ thấp, bị giảm bởi độ nhớt cao của dung
28
dịch. Zacarias [44] thử nghiệm trờn một MLHT một cấp và hiệu quả đạt được trong bộ hấp thụ, sinh hơi và trao đổi nhiệt hấp thụ, sinh hơi và thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch thấp hơn so với những mụ hỡnh thiết bị mụ phỏng từ 30 % đến 60 %. Oronel và cộng sự [31] đo hệ sụ́ tỏa nhiệt khi sụi của cặp NH3/LiNO3 trong thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm so sỏnh kết quả với dữ liệu của Tỏboas và cộng sự [39] đo được với NH3/H2O trong cựng điều kiện một thiết lập, cho thấy hệ sụ́ tỏa nhiệt khi sụi của hỗn hợp NH3/LiNO3 thấp hơn khoảng 60 %.
Ehmke và Renz [26] và Bokelmann và Steimle [22] ở đại học Essen đề xuất thờm nước vào hỗn hợp NH3/LiNO3 để cải thiện quỏ trỡnh truyền nhiệt và chất. Ehmke và Renz [26] nghiờn cứu ảnh hưởng của nước theo độ hũa tan và độ nhớt của cỏc cặp 3 mụi chất NH3/(LiNO3 + H2O), và đề nghị một phần nhỏ khụ́i lượng nước tụ́i ưu từ 0,20 đến 0,25 trong hỗn hợp hấp thụ (LiNO3 + H2O). Cỏc tỏc giả cũng xỏc định và liờn hệ mật độ và ỏp suất hơi của dung dịch với một phần khụ́i lượng nước 0,25 trong hỗn hợp hấp thụ.
Bothe [23] trỡnh bày một nghiờn cứu thực nghiệm so sỏnh hiệu suất của một bơm nhiệt hấp thụ sử dụng NH3/H2O và NH3/(LiNO3+H2O). Tỏc giả kết luận thiết bị sử dụng cặp 3 mụi chất cú nhiệt độ vận hành cao hơn và COP cải thiện đỏng kể so thiết bị sử dụng cặp 2 mụi chất trong cỏc ứng dụng bơm nhiệt. Tỏc giả cũng kết luận khụng cần thiết phải tinh cất lại để tăng năng suất lạnh. Rivera và cộng sự [36] so sỏnh hiệu suất của một MLHT năng lượng mặt trời dựng cặp NH3/LiNO3 và cặp NH3/(LiNO3 + H2O). Cỏc tỏc giả kết luận rằng hơi NH3 sinh ra trong cặp NH3/(LiNO3 + H2O) cao hơn (nồng độ nước là 20 % và 25 % trong chất hấp thụ). Ngoài ra, đụ́i với cặp NH3/(LiNO3 + H2O), cỏc hệ sụ́ hiệu suất của năng lượng mặt trời cao hơn lờn đến 24 %, dao động từ 0,066 đến 0,093, và nhiệt độ sinh hơi ban đầu lờn đến 5,5 ºC thấp hơn so với hệ thụ́ng sử dụng cặp NH3/LiNO3. Trong cỏc thớ nghiệm đó thực hiện, trong hơi NH3 khụng cú dấu vết của nước.
Gần đõy, Oronel và cộng sự [31],[32] thực hiện một nghiờn cứu thực nghiệm quỏ trỡnh hấp thụ của cặp NH3/LiNO3 và NH3/(LiNO3 + H2O) trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm. Cỏc tỏc giả kết luận đó cải thiện đỏng kể quỏ trỡnh hấp thụ của cặp 3
29
chất so với cặp 2 chất. Vỡ vậy, thiết bị làm lạnh hấp thụ cho tàu cỏ cú thể được chế tạo bằng cỏch sử dụng tấm trao đổi nhiệt trong tất cả cỏc thiết bị nhiệt, giảm kớch thước mỏy làm lạnh và lượng mụi chất nạp.
Liờn quan đến cỏc chất nhiệt vật lý của cặp 3 chất, Libotean và cộng sự [29], [30] thực hiện đo thực nghiệm và phương trỡnh phỏt triển để tớnh toỏn cõn bằng hơi/lỏng và tính lưu động cặp 3 chất NH3/(LiNO3+ H2O) với lượng nước là 20,25 % và 30 % trong chấp hấp thụ. Cỏc dữ liệu dung dịch gần đõy được biờn soạn bởi Eysseltova và Orlova [32] cũng khẳng định rằng việc bổ sung nước cải thiện độ hũa tan của dung dịch, làm cho hỗn hợp cặp 3 chất phự hợp hơn cho nhiệt độ sinh hơi cao hay nhiệt độ làm mỏt thấp.
Với cỏc ưu điểm kể trờn, hỗn hợp ba chất NH3/(LiNO3 + H2O) cũng cú thể được sử dụng trong MLHT sử dụng nhiệt thải từ động cơ diesel của tàu cỏ. Thứ nhất, MLHT sử dụng NH3/(LiNO3 + H2O) đơn giản hơn MLHT dựng NH3/H2O. Thứ hai, nhiệt độ truyền động yờu cầu của hệ thụ́ng MLHT dựng NH3/(LiNO3+ H2O) thấp hơn hệ thụ́ng dựng NH3/H2O và tương đương với hệ thụ́ng dựng NH3/LiNO3. Ưu điểm chớnh của hệ thụ́ng MLHT sử dụng NH3/(LiNO3+ H2O) so với loại dựng NH3/H2O thụng thường là khả năng vận hành khụng cần thiết bị chưng cất, vỡ nếu cột chưng cất này sẽ bị ảnh hưởng khi vận hành trong chế độ chuyển động. Khi so sỏnh với hệ thụ́ng sử dụng NH3/LiNO3, MLHT sử dụng NH3/(LiNO3+ H2O) cú hệ sụ́ truyền nhiệt và chất cao hơn dẫn đến kích thước thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ hơn.
Gần đõy nhất 3/2014, Francisco Tỏboas và cộng sự [39] đó cụng bụ́ phõn tớch so sỏnh chu trỡnh MLHT sử dụng hỗn hợp 3 chất NH3/(LiNO3+ H2O ) và NH3/H2O cho tàu cỏ và kết luận: MLHT sử dụng NH3/(LiNO3 + H2O) và hỗn hợp chất lỏng NH3/LiNO3 cú giỏ trị COP cao hơn so với MLHT sử dụng NH3/H2O. Độ chờnh lệch COP càng cao hơn khi vận hành ở nhiệt độ sinh hơi thấp. Nếu nhiệt độ kớch hoạt được đặt tới 85 oC, nhiệt độ bay hơi nhỏ nhất cú thể đạt được là õm 18,8 oC cho chu kỳ dựng NH3/LiNO3, õm 17,5 oC cho chu kỳ dựng NH3/(LiNO3 +H2O) và õm 13,7 oC cho chu kỳ dựng NH3/H2O ở nhiệt độ ngưng tụ của 25 oC. Ngoài ra, cũng chứng minh được MLHT dựng NH3/(LiNO3 + H2O) cú thể hoạt động mà khụng cần cột
30
chưng cất và trong trường hợp này lượng nước trong dũng mụi chất lạnh vào thiết bị bay hơi là dưới 1,5 % theo khụ́i lượng ở điều kiện hoạt động đó lựa chọn.
1.2.2. Kết quả nghiờn cứu ở Việt Nam
Ở Việt Nam cũng đó cú những cụng trỡnh của cỏc tỏc giả nghiờn cứu về MLHT và khả năng ỏp dụng loại mỏy này trong thực tế.
Năm 2001 tỏc giả Lờ Xuõn Hũa [14] đó đưa ra mụ hỡnh MLHT NH3/H2O giỏn đoạn, khụng sử dụng bơm, sử dụng năng lượng mặt trời và cú hướng ứng dụng nhiệt thải. Với thiết bị này tỏc giả chưa cụng bụ́ nhiệt độ làm lạnh cú thể đạt được là bao nhiờu.
Năm 2002 tỏc giả Hoàng Dương Hựng, Trần Ngọc Lõn [7] đó nghiờn cứu, thiết kế và chế tạo thực nghiệm mẫu MLHT sử dụng năng lượng mặt trời với cặp mụi chất là than hoạt tính và methalnol để sản xuất nước đỏ.
Năm 2004 tỏc giả Trần Thanh Kỳ [17] đó nghiờn cứu MLHT NH3/H2O sử dụng nhiệt của lũ hơi đụ́t chấu để sản xuất nước đỏ. Hệ thụ́ng sử dụng bơm nước giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ, hấp thụ và thỏp tinh cất. Cựng năm này, tỏc giả Lờ Chớ Hiệp [9] đó khảo sỏt và đưa ra cỏc thụng sụ́ làm việc của MLHT H20/LiBr loại một cấp trong điều kiện khớ hậu của cỏc tỉnh phớa Nam. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Năm 2011 tỏc giả Vừ Kiến Quụ́c, Lờ Chớ Hiệp [19] đó nghiờn cứu MLHT NH3/H2O giỏn đoạn, sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất nước đỏ.
Năm 2012 tỏc giả Đặng Trần Thọ, Đặng Thế Hựng [4] đó nghiờn cứu thiết kế và chế tạo MLHT NH3/H2O sử dụng nhiệt thải và năng lượng mặt trời. Kết quả của cụng trỡnh bước đầu đó khẳng định khả năng hoạt động của MLHT ở nhiệt độ bay hơi là 2 ºC. Tuy nhiờn, do thiết bị cũn đơn giản, chưa cú cỏc chi tiết linh hoạt để hỗ trợ cho việc vận hành, vật liệu chế tạo chưa phự hợp nờn tuổi thọ thiết bị ngắn vỡ vậy khụng sử dụng được cho phục vụ nghiờn cứu lõu dài.
Năm 2014 tỏc giả Nguyờ̃n Trần Quỳnh [14] trờn cơ sở thiết bị của cỏc tỏc giả [4] đó nghiờn cứu thay thế một sụ́ thiết bị trỏnh sự ăn mũn của cặp mụi chất NH3/H2O và cú khảo sỏt sự liờn quan giữa nồng độ dung dịch đậm đặc và dung dịch loóng với nhiệt độ làm lạnh của hệ thụ́ng.
31
Nhỡn chung cỏc nghiờn cứu trong nước dự đó cú hướng nghiờn cứu tới thiết kế chế tạo MLHT, nhưng cho tới nay, theo hiểu biết của tỏc giả, chưa cú cụng trỡnh trong nước nào cụng bụ́ kết quả thiết kế, chế tạo thành cụng MLHT sử dụng trong cỏc điều kiện như trờn tàu cỏ (đảm bảo lạnh sõu và chịu được điều kiện ăn mũn và rung lắc).
Qua những nghiờn cứu trờn về hệ thụ́ng MLHT núi chung và hướng phỏt triển của MLHT sử dụng trờn tàu cỏ ở trong và ngoài nước núi riờng, tỏc giả của luận văn mong muụ́n nghiờn cứu, chế tạo mụ hỡnh thực nghiệm mỏy lạnh hấp thụ một cấp sử dụng cặp mụi chất NH3/H2O cú thể hoạt động trong điều kiện cú rung lắc dựng năng lượng mặt trời và nhiệt thải.
1.3. Đối tượng, mục đớch và phạm vi nghiờn cứu 1.3.1. Đối tượng nghiờn cứu
Nghiờn cứu chế tạo MLHT một cấp NH3/H2O sử dụng năng lượng mặt trời và nhiệt thải động cơ với ứng dụng cho cỏc nhu cầu bảo quản lạnh trờn tàu cỏ.
Theo đỏnh giỏ [13], [16] thấy rằng, tiềm năng to lớn cũng như hiệu quả của nguồn nhiệt nhiệt thải ở trờn tàu nếu ta tận dụng được. Với xu thế tiến ra biển lớn để tỡm kiếm, khai thỏc tiềm năng kinh tế biển và đỏnh bắt xa bờ là mắt xích quan trọng, trong xu thế trờn. Do đú cần cú chiến lược phự hợp nhằm bảo đảm cho những con tàu đủ sức ra khơi xa, neo đậu dài ngày trờn biển để khai thỏc hải sản và bảo vệ vững chắc biển, đảo của Tổ quụ́c. Cú thể núi ngư dõn hiện nay gặp phải những khú khăn khi đỏnh bắt xa bờ và với thời gian đi biển từ 2 đến 3 thỏng đú là: 1. Nhiờn