Trong máy lạnh hấp thụ, đi kèm với mơi chất lạnh bao giờ củng cĩ một chất
hấp thụ bởi vậy người ta gọi là cặp mơi chất. Cĩ hai loại cặp mơi chất:
Cặp mơi chất hấp thụ: Là cặp mơi chất cĩ liên kết hĩa học với nhau lỏng và
rắn như: H2O/LiBr; NH3/H2O...
Cặp mơi chất hấp phụ là cặp mơi chất cĩ liên kết cơ học với nhau như:
nước/zeolit; H2O/Silicagel…
Trong kí hiệu cặp mơi chất: Bao giờ chất cĩ nhiệt độ sơi thấp hơn hay cịn gọi
là mơi chất lạnh cũng được viết trước, chất hấp thụ được viết sau và giữa hai kí hiệu
là một gạch chéo. VD: H2O/LiBr; NH3/H2O.
Yêu cầu với cặp mơi chất cũng giống như đối với mơi chất lạnh trong hệ thống
lạnh nén hơi, cĩ tính chất nhiệt động tốt, khơng độc hại, khơng dễ cháy nổ, ăn mịn đối với vật liệu chế tạo máy, phải rẻ tiền, dễ kiếm…Ngồi ra cặp mơi chất cần phải:
-Hịa tan hồn tồn vào nhau nhưng nhưng nhiệt độ sơi ở cùng áp suất càng
xa nhau càng tốt, để mơi chất lạnh sinh ra ở bình sinh hơi khơng lẫn chất hấp thụ.
- Nhiệt dung riêng của dung dịch phải bé, đặc biệt đối với máy hấp thụ chu kì
để tổn thất nhiệt khởi động máy nhỏ. Các cặp mơi chất sử dụng trong máy lạnh hấp thụ được tổng hợp trong bảng 1.2.
Hiện nay, các máy lạnh hấp thụ sử dụng phổ biến hai loại cặp mơi chất lạnh là
NH3/H2O và H2O/LiBr.
Theo [1], cặp mơi chất H2O/LiBr cĩ các đặc điểm sau
+ Nước là mơi chất lạnh nên đảm bảo vệ sinh mơi trường.
+ Tỷ số áp suất ngưng tụ và áp suất bay hơi nhỏ (khoảng 4)
+ Khơng cần thiết bị tinh cất hơi mơi chất vì dung dịch H2O/LiBr chỉ cĩ hơi
của mơi chất lạnh là nước thốt ra.
+ Nhiệt độ cấp cho thiết bị sinh hơi cho phép thấp đến 80[oC].
+ Tính ăn mịn của dung dịch rất cao, gây han rỉ thiết bị nên yêu cầu phải
+ Phải duy trì độ chân khơng rất sâu trong thiết bị.
+ Cĩ khả năng xảy ra sự kết tinh gây tắt, nghẽn thiết bị.
+ Nhiệt độ bay hơi thấp nhất chỉ đạt 5 [oC] vì mơi chất lạnh là nước, đĩng
băng ở 0 [oC].
Bảng 1.2: Cặp mơi chất sử dụng trong máy lạnh hấp thụ
STT Cặp mơi chất Mơi chất Chất hấp thụ, hấp phụ 1 NH3/ H2O NH3 H2O 2 NH3/ LiSCN NH3 LiSCN 3 NH3/ KSCN NH3 KSCN 4 NH3/ NH4SCN NH3 NH4SCN 5 NH3/ LiNO3 NH3 LiNO3
6 NH3/ Nal – NaSCN NH3 Nal – NaSCN
7 NH3/ HO(CH2)4OH NH3 HO(CH2)4OH
8 H2O/ LiBr H2O LiBr
9 H2O/ LiCr H2O LiCr
10 H2O/ LiCl H2O LiCl
11 H2O/ CaCl2 H2O CaCl2
12 H2O/ LiBr - LiSCN H2O LiBr - LiSCN
13 H2O/ LiBr – ZnBr2 – CaBr2 H2O LiBr – ZnBr2 – CaBr2
14 H2O/ LiBr – C2H6O2 H2O LiBr – C2H6O2
15 H2O/ LiCl – CsCl H2O LiCl – CsCl
16 H2O/ LiCl – Ca(NO3)2 H2O LiCl – Ca(NO3)2
17 H2O/ CaCl2 - MgCl2 – KCl H2O CaCl2 - MgCl2 – KCl
18 H2O/ LiCl - CaCl2 - Ca(NO3)2 H2O LiCl - CaCl2 - Ca(NO3)2
19 CH3OH/ LiCr CH3OH LiCr
20 CH3OH/ LiBr CH3OH LiBr
21 CH3OH/ ZnBr2 CH3OH ZnBr2
22 CH3OH/ LiBr - ZnBr2 CH3OH LiBr - ZnBr2
23 CH3OH/ Lil - ZnBr2 CH3OH Lil - ZnBr2
Cặp mơi chất NH3/H2O cĩ các đặc điểm sau:
+ Mơi chất là NH3 cĩ mùi khai và rất độc hại khi rị rỉ ra bên ngồi.
+ Tỷ số áp suất ngưng tụ và áp suất bay hơi lớn.
+ Cần phải cĩ thiết bị tinh cất hơi nước vì quá trình NH3 bốc hơi trong bình
+ Nhiệt độ bay hơi thấp, nên cĩ thể úng dụng cho máy lạnh hấp thụ với mục đích làm lạnh bảo quản, sản xuất nước đá...
+ Mơi chất NH3 ăn mịn đồng (trừ hợp chất đồng phốt pho) và các kim loại
màu. Vì vậy khi chế tạo cần lưu ý khơng sử dụng các vật liệu bị NH3 ăn mịn.
1.2.2.Vật liệu chế tạo máy lạnh hấp thụ. 1.2.2.1.Vật liệu chế tạo máy và thiết bị lạnh. a. Vật liệu kim loại.
Máy và thiết bị lạnh được chế tạo chủ yếu từ các vật liệu kim loại. Các vật liệu phải đáp ứng các yêu cầu đặc biệt của kỹ thuật lạnh như sau:
-Phải đủ bền và cĩ đầy đủ các tính chất vật lý cần thiết trong điều kiện nhiệt
độ và áp suất vận hành.
-Khơng bị ăn mịn hĩa học với các mơi trường mà các hệ thống lạnh trực tiếp
tiếp xúc như: mơi chất lạnh, dầu bơi trơn, ẩm, chất hút ẩm và chống ẩm, các hĩa chất cĩ hại sinh ra trong quá trình vận hành hệ thống lạnh, các chất tải lạnh, các mơi trường làm mát, mơi trường lạnh cũng như các sản phẩm cần bảo quản.
-Phải kinh tế, nghĩa là phải rẻ tiền, dễ gia cơng chế tạo...
Bảng 1.3 giới thiệu một số kim loại chế tạo máy thường dùng và khả năng ứng dụng của nĩ trong kỹ thuật lạnh.
b. Vật liệu phi kim loại.
Vật liệu phi kim loại dùng trong kỹ thuật lạnh chủ yếu gồm cao su, amiăng, chất dẻo, thủy tinh và gốm. Chúng được sử dụng làm đệm kín và vật liệu cách nhiệt, cách điện. Ngồi ra thủy tinh cịn được làm kính quan sát mức dầu, mức gas...
Mơi chất amoniắc và các mơi chất lạnh vơ cơ khác hầu như khơng tác động và ăn mịn các vật liệu phi kim chế tạo máy. Nhưng nếu mơi chất là freon cần đặc biệt thận trọng. Các freơn cĩ thể hịa tan và làm trương phồng các đệm kín và các vật liệu hữu cơ.
Trong vịng tuần hồn của mơi chất lạnh cịn cĩ thêm dầu bơi trơn và các sản phẩm thứ cấp. Theo các kết quả thử nghiệm, dầu và các sản phẩm thứ cấp tác động
làm cho sự ăn mịn nhanh hơn và các phản ứng phá hủy vật liệu hữu cơ xảy ra và phát triển với tốc độ lớn hơn.
Bảng 1.3: Vật liệu kim loại ứng dụng trong kỹ thuật lạnh.
Kim loại Ứng dụng Khả năng ứng dụng.
Sắt và hợp kim của săt
Máy nén, thiết bị ngưng tụ, sinh hơi, bình hấp thụ, bình sinh hơi, đường ống nối các dụng cụ và thiết bị phụ. Sử dụng được cho tất cả các mơi chất lạnh, tuy nhiên cần chú ý đến một vài tính chất đặc biệt. Đồng và hợp kim đồng
Thiết bị ngưng tụ, bay hơi, thiết bị phụ, chi tiết động cơ, đệm kín, ổ bạc,
van, đế van, đường ống, cuộn dây
động cơ, que hàn.
Khơng sử dụng cho mơi chất amoniac trừ đồng thau phốt pho – chì và hợp kim đồng niken sắt CuNi30Fe. Nhơm và hợp kim nhơm
Các thiết bị trao đổi nhiệt (đặc biệt là thiết bị bay hơi), cácte máy nén,
chi tiết động cơ, ổ đỡ, đệm kín, tay
biên và piston, cánh tản nhiệt
- Cần thận trọng khi sử dụng cho mơi chất freon, amơniắc. Chỉ sử dụng sau khi đã thử nghiệm.
- Khơng sử dụng cho nước muối.
Crơm và niken
Dùng để bảo vệ bề mặt hoặc để
tinh luyện và tinh chế, là thành phần của thép và gang đúc. Sử dụng được cho tất cả các loại mơi chất lạnh Magiê và kẽm - Là thành phần trong các hợp kim. - - Kẽm dùng để bảo vệ bề mặt.
Khơng sử dụng cho mơi
chất lạnh là freon và NH3
Thiết và chì.
- Là thành phần trong các hợp kim và để bảo vệ bề mặt.
- Làm đệm kín.
- Là thành phần của hợp kim trong ổ đỡ và ổ trượt
- Khơng sử dụng cho mơi chất amoniắc.
- Cĩ thể xảy ra phản ứng
với Clo trong mơi chất freon.
1.2.2.2.Vật liệu chế tạo máy lạnh hấp thụ.
Các thiết bị và chi tiết cần chế tạo trong máy lạnh hấp thụ bao gồm: Dàn bay hơi, dàn ngưng tụ, bình hấp thụ, bình sinh hơi, thiết bị hồi nhiệt, tháp tinh luyện thiết bị trao đổi nhiệt của hệ thống cấp nhiệt, đường ống kết nối, các chi tiết như van tiết lưu, bơm dung dịch...tất cả các bộ phận này đều tiếp xúc trực tiếp với cặp mơi chất.
Từ bảng 1.3 cho thấy, mơi chất lạnh NH3 khơng ăn mịn các kim loại đen chế
hợp kim đồng niken sắt ( CuNi30Fe). Vì vậy, khi chế tạo máy lạnh hấp thụ sử dụng
cặp mơi chất NH3/H2O cĩ thể dùng các vật liệu trên.
Hiện nay, máy lạnh hấp thụ người ta thường dùng phổ biến hai cặp mơi chất
là NH3/H2O và H2O/LiBr. Do khối lượng nước trong cặp mơi chất lớn (đến 50%
khối lượng dung dịch) nên cĩ tính ăn mịn thiết bị mạnh. Làm hỏng các van, thủng các thiết bị từ bên trong, làm tắc các đường ống nhỏ...Để hạn chế tính ăn mịn, phải sử dụng các muối cĩ thành phần crơm như bicrơmat natri,- kali, hoặc – amơn... nạp đồng thời với mơi chất lạnh vào máy với nồng độ khối lượng từ 0,2 đến 0,6 %. Khi vận hành một vài lần crơm sẽ bám lên bề mặt trong của thiết bị, tạo thành một lớp
mỏng chống ăn mịn cĩ độ dày khoảng vài µm bảo vệ thiết bị rất hiệu quả.
1.3. Kết quả nghiên cứu về máy lạnh hấp thụ.
1.3.1.Các kết quả nghiên cứu trên thế giới.
Trong suốt nữa đầu thế kỷ 20, nhiều nghiên cứu thực nghiệm của các nhà
khoa học ở nhiều nước trên thế giới đã mang lại những kết quả đáng ghi nhận. Điển hình là cơng trình của nhà khoa học người ý Guido Maiuri và hai nhà khoa học người Thụy Điển Platen, Munters về tủ lạnh sử dụng chu trình máy lạnh hấp thụ
năm 1920 [18]. Tại Mỹ trong những năm 1940 máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr với
nước được xem là mơi chất lạnh được đưa vào sử dụng [18]. Máy lạnh loại này hoạt động trên cơ sở chu kỳ Carre biến đổi và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điều hịa khơng khí. Ngày nay, các loại máy lạnh hấp thụ khác nhau ngày càng hồn chỉnh và chiếm một tỉ trọng đáng kể trong hệ thống máy làm lạnh ở các nước phát
triển nhất là ở Mỹ, Nhật, Nga và Trung Quốc. Dưới đây là tổng quan về một số
cơng trình nghiên cứu này.
- Craig Christy, Dave Fusco and Reza Toossi [16], ứng dụng máy lạnh hấp thụ để điều hịa khơng khí trên xe hơi và tàu thủy chở container. Trong cơng 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 hịa khơng khí trên xe hơi. Các nguồn nhiệt được chú trọng là khĩi 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 cơng các model với các cơng suất lạnh
6000BTU/h; 18000BTU/h và 25000BTU/h với chỉ số làm lạnh COP = 1,99. Cơng trình nghiên cứu này đã được một 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.
- Jorge E. González, Ph.D; Associate Professor and Chairperson [17], nghiên cứu máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời. Trong cơng 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 hịa khơng khí. Kết quả của cơng trinh là đưa ra sơ đồ tối ưu kết nối giữa collector năng lượng mặt trời và hệ thống điều hịa hấp thụ để
hiệu quả làm lạnh là cao nhất. Cơng trình này cũng đã được ứng dụng trong các
ngơi nhà xanh tại Chi Ca gơ từ những năm 2005.
- VMittal Assistant Professor [18], máy lạnh hấp thụ điều hịa khơng khí sử
dụng năng lượng mặt trời.Trong cơng trình này các tác đã nghiên cứu về hiệu quả máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời. So sánh hiệu suất của các máy lạnh
NH3/H2O và H2O/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 cĩ chỉ số COP cao hơn nhưng khả năng tích trừ lạnh lại khơng hiệu quả bằng loại tác dụng đơn
- Hiroshi Takamatsu, Hikaru Yamashiro, Nobuo Takata, Hiroshi Honda [18],
máy lạnh hấp thụ cấp nhiệt bằng khĩi thải động cơ. Trong đề tài này các tác giả
nghiên cứu về máy lạnh hấp thụ sử dụng nguồn nhiệt từ đốt nhiên liệu như dầu,
xăng. Kết quả của cơng trình được ứng dụng để chế tạo máy lạnh hấp thụ cĩ cơng suất lớn sử dụng bảo quản lạnh, điều hịa khơng khí trong các tịa nhà lớn, siêu thị, khu dân cư…
1.3.2.Kết quả nghiên cứu ở Việt Nam.
Ổ Việt Nam, đã cĩ các cơng trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về máy lạnh hấp thụ sử dụng nguồn nhiệt cấp là năng lượng mặt trời, dầu, than, củi...và đã
chế tạo được các máy lạnh hấp thụ chu kỳ dùng mơi chất NH3/H2O. Dưới đây xin
- GS.TS Lê Chí Hiệp [1], [7], các kết quả nghiên cứu máy lạnh hấp thụ mặt
trời NH3-H2O loại gián đoạn ứng dụng trong điều kiện TP.Hồ Chí Minh. Xác định
các thơng số làm việc của máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr loại Single Effect trong điều kiện khí hậu của các tỉnh phía Nam. Xác định sơ đồ và các thơng số làm việc của máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr loại Double Effect vận hành bằng các nguồn nhiệt thải cĩ nhiệt thế cao. Máy lạnh hấp thụ trong kỹ thuật điều hịa khơng khí, máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất nước đá... Các cơng trình này đã trình bày tương đối chi tiết về cơ sở lý thuyết thiết kế, chế tạo máy lạnh hấp thụ ở điều kiện Việt Nam. Đồng thời, đã chế tạo thành cơng một số máy lạnh hấp thụ sử dụng
năng lượng mặt trời loại NH3/H2O để sản xuất nước đá. Các cơng trình này đang
được tiếp tục nghiên cứu để cĩ thể đưa vào ứng dụng thực tế.
- PGS.TS. Hồng Dương Hùng, Trần Ngọc Lân [9]. Cơng trình này trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thực nghiệm mẫu máy lạnh hấp phụ sử dụng NLMT với cặp mơi chất là than hoạt tính và methanol. Kết quả nghiên cứu đã kết
luận, cĩ thể ứng dụng năng lượng mặt trời để làm lạnh với nhiều mục đích khác
nhau. Thiết bị cĩ thể chế tạo và sử dụng rộng rãi ở điều kiện Việt Nam.
- PGS.TS. Trần Thanh Kì [6], trình bày chi tiết về quy trình lựa chọn, cơ sở lý thuyết để chế tạo các thiết bị chính trong máy lạnh hấp thụ sử dụng nhiệt thải như: bình sinh hơi, bình hấp thụ, dàn lạnh, dàn nĩng, bơm dung dịch, lị hơi sử dụng nhiệt thải... Kết quả của cơng trình cĩ thể được ứng dụng để chế tạo các máy lạnh hấp thụ sử dụng nhiệt năng từ các nguồn năng lượng rẻ tiền: Phụ phẩm nơng nghiệp, khĩi thải các động cơ tàu thủy,năng lượng mặt trời…
1.4. Mục đích nghiên cứu của luận án.
Với các đánh giá ở trên, nhiệm vụ của luận án sẽ tiến hành nghiên cứu, thiết
kế, chế tạo mơ hình thực nghiệm máy lạnh hấp thụ dùng cặp mơi chất NH3/H2O sử
dụng nguồn nhiệt cấp là năng lượng mặt trời kết hợp với nguồn nhiệt thải tận dụng là khĩi thải của các động cơ tàu thủy (hoặc nhiệt thải từ tổ máy phát điện, khĩi thải xe hơi…). Mơ hình thực nghiệm máy lạnh hấp thụ này sẽ được dùng để nghiên cứu chuyên sâu về lý thuyết, thực nghiệm khả năng ứng dụng máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp với khĩi thải để làm lạnh bảo quản trên tàu thuyền đánh bắt cá xa bờ.
Chương 2. CƠ SỞ TÍNH TỐN MÁY LẠNH HẤP THỤ. 2.1. Sơđồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ NH3/H2O