Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Lý Thuyết và Thực Nghiệm Máy Lạnh Hấp Phụ Mặt Trời

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu công nghệ mhieetj nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng cặp môi, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Trí
• Người hướng dẫn: GS.TS Lê Chí Hiệp
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Nhiệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Lý Thuyết Và Thực Nghiệm Máy Lạnh Hấp Phụ Mặt Trời Sử Dụng Cặp Môi Chất Than Hoạt Tính – Methanol Trong Sản Xuất Nước Lạnh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về máy lạnh hấp phụ

Máy lạnh hấp phụ là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực làm lạnh, sử dụng nguyên lý hấp phụ để làm lạnh nước hoặc không khí. Máy lạnh hấp phụ hoạt động dựa trên sự hấp thụ nhiệt từ môi trường, nhờ vào các chất hấp phụ như than hoạt tính và môi chất như methanol. Việc sử dụng than hoạt tính trong hệ thống này giúp tăng cường hiệu suất làm lạnh, đồng thời giảm thiểu tác động đến môi trường so với các loại máy lạnh truyền thống sử dụng CFC hay HFC. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển một mô hình máy lạnh hấp phụ sử dụng năng lượng mặt trời, tận dụng năng lượng mặt trời để cung cấp nhiệt cho quá trình hấp phụ, từ đó tạo ra nước lạnh. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

1.1. Nguyên lý hoạt động của máy lạnh hấp phụ

Nguyên lý hoạt động của máy lạnh hấp phụ dựa trên sự hấp thụ và giải phóng nhiệt. Trong quá trình này, than hoạt tính sẽ hấp thụ methanol, tạo ra một chu trình làm lạnh hiệu quả. Khi methanol được hấp thụ, nhiệt độ trong hệ thống giảm xuống, dẫn đến việc nước hoặc không khí được làm lạnh. Sau đó, thông qua quá trình giải phóng nhiệt, methanol sẽ được tách ra khỏi than hoạt tính và quay trở lại chu trình. Điều này cho phép hệ thống hoạt động liên tục mà không cần nguồn năng lượng điện lớn, phù hợp với các khu vực có nguồn năng lượng mặt trời dồi dào.

II. Năng lượng mặt trời và ứng dụng trong máy lạnh hấp phụ

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo vô tận, có thể được khai thác để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, trong đó có làm lạnh. Việc sử dụng năng lượng mặt trời để vận hành máy lạnh hấp phụ không chỉ giúp tiết kiệm chi phí năng lượng mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Hệ thống máy lạnh hấp phụ mặt trời có khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện khí hậu nắng nóng, nơi mà nhu cầu làm lạnh cao. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp giữa năng lượng mặt trời và công nghệ hấp phụ có thể tạo ra hiệu suất làm lạnh cao, đồng thời giảm thiểu chi phí vận hành. Ngoài ra, việc ứng dụng năng lượng mặt trời trong lĩnh vực lạnh còn mở ra cơ hội cho các giải pháp bền vững và thân thiện với môi trường.

2.1. Hiệu suất làm lạnh từ năng lượng mặt trời

Hiệu suất của hệ thống máy lạnh hấp phụ sử dụng năng lượng mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thiết kế của bộ thu năng lượng, cường độ bức xạ mặt trời và khả năng hấp phụ của chất hấp phụ. Các nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất làm lạnh tối ưu có thể đạt được khi hệ thống được thiết kế phù hợp với điều kiện khí hậu cụ thể. Việc tối ưu hóa các thông số kỹ thuật như kích thước bộ thu và loại chất hấp phụ sẽ giúp tăng cường hiệu suất làm lạnh. Điều này không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế mà còn góp phần vào việc phát triển các công nghệ lạnh bền vững.

III. Đánh giá khả năng ứng dụng của máy lạnh hấp phụ sử dụng than hoạt tính và methanol

Khả năng ứng dụng của máy lạnh hấp phụ sử dụng than hoạt tính và methanol trong sản xuất nước lạnh là rất tiềm năng. Các thử nghiệm cho thấy rằng hệ thống này có thể hoạt động hiệu quả trong điều kiện nắng nóng, phù hợp với nhu cầu làm lạnh trong các khu vực như thành phố Hồ Chí Minh. Việc sử dụng than hoạt tính không chỉ giúp cải thiện hiệu suất làm lạnh mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường. Hệ thống này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ hộ gia đình đến công nghiệp, cung cấp nước lạnh cho các nhu cầu sử dụng khác nhau. Việc triển khai rộng rãi công nghệ này sẽ góp phần vào việc phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.

3.1. Tiềm năng trong thực tiễn

Tiềm năng ứng dụng của máy lạnh hấp phụ sử dụng than hoạt tính và methanol là rất lớn, đặc biệt trong các khu vực có nguồn năng lượng mặt trời dồi dào. Hệ thống này không chỉ giúp giảm chi phí điện năng mà còn tăng cường khả năng làm lạnh trong các mùa nắng nóng. Việc triển khai công nghệ này có thể giúp giảm thiểu phụ tải điện cho hệ thống làm lạnh truyền thống, từ đó góp phần vào việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Đặc biệt, trong bối cảnh biến đổi khí hậu, việc phát triển các công nghệ lạnh bền vững sẽ càng trở nên cần thiết hơn bao giờ hết.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Nhu cầu năng lƣợng con ngƣời ngày càng cao trong khi nguồn năng lƣợng hóa thạch sử dụng lâu nay ngày cạn kiệt. Có những thời điểm năng lƣợng hạt nhân đƣợc xem là ƣu tiên hàng đầu cho việc phát triển và thay thế nguồn năng lƣợng hóa thạch (năng lƣợng không tái tạo), tuy nhiên trong những năm qua năng lƣợng hạt nhân gây ra những nguy hại đáng kể đe dọa đến sự sống của con ngƣời (nhƣ sự cố năm 1986 tại nhà máy nhiệt điện chernobyl (Ukraina) gây ra thảm họa, nhà máy điện hạt nhân Fkushima tại Nhật Bản năm 2011 làm cho hàng trăm ngàn ngƣời phải di chuyển xa khu vực hàng trăm km cách nhà máy điện hạt nhân).Từ đó nguồn năng lƣợng an toàn và khả dĩ nhất đƣợc các nhà khoa học đặc biệt quan tâm đó là nguồn năng lƣợng tái tạo (năng lƣợng gió, năng lƣợng thủy triều, năng lƣợng mặt trời). Trong đó nguồn năng lƣợng mặt trời đƣợc đánh giá là nguồn năng lƣợng ổn định, dễ khai thác. Trong 50 năm qua lƣợng băng tan ở 2 đầu bán cực đạt mức kỷ lục, đe dọa nghiêm trọng đến con ngƣời (diện tích bị ngập nƣớc hàng năm tăng lên rất nhanh).

Nguyên nhân do con ngƣời chặt phá rừng, các khí thải các nhà máy công nghiệp mọc lên ngày càng nhiều, sử dụng các loại môi chất lạnh CFC và HFC,…gây ra hiệu ứng nhà kính và thủng tầng ozone. Kết hợp 2 vấn đề trên và dựa trên cơ sở chuyên ngành của học viên. Học viên tiến đến xây dựng máy lạnh sử dụng năng lƣợng mặt trời với môi chất lạnh không gây hiệu ứng nhà kính và thủng tầng ozone trong điều kiện thành phố Hồ Chí Minh. Trong đề tài trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thực nghiệm máy lạnh hấp phụ sử dụng NLMT cho mục đích nhƣ : làm lạnh nƣớc, ngoài ra ở nhiệt độ 10 0 C còn phù hợp để bảo quản rau quả, thực phẩm.

vii MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ. ii LỜI CẢM ƠN. iii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN .iv LỜI CAM ĐOAN .vi MỤC LỤC. vii DANH SÁCH HÌNH VẼ .xi DANH SÁCH BẢNG BIỂU.

xiv CHƢƠNG 1. Năng lƣợng mặt trời. Hiện trạng sử dụng NLMT trên thế giới. Tiềm năng và hiện trạng sử dụng NLMT tại việt nam.

Các ứng dụng NLMT trong kỹ thuật lạnh. Các nghiên cứu liên quan. Nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp phụ mặt trời. Nguyên lý làm việc.

Mô tả quá trình làm việc chu trình máy lạnh hấp phụ. Chất hấp phụ .Yêu cầu chất hấp phụ sử dụng trong máy lạnh hấp phụ. Một số chất hấp phụ điển hình. Than hoạt tính (activated carbon).

Môi chất lạnh. Yêu cầu môi chất lạnh sử dụng trong máy lạnh hấp phụ. Một số môi chất lạnh điển hình sử dụng trong máy lạnh hấp phụ. Phân tích và lựa chọn cặp chất sử dụng trong máy lạnh hấp phụ.

23 TÍNH TOÁN CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH MÁY LẠNH HẤP PHỤ MẶT TRỜI SỬ DỤNG THAN HOẠT TÍNH – METHANOL 23 3. Mô hình chế tạo. Phân tích ƣu và nhƣợc điểm các mô hình máy lạnh hấp phụ đã đƣợc nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới. Các yêu cầu chế tạo mô hình trong điều kiện cho phép.

Tính toán thiết kế mô hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng than hoạt tính – methanol. Thiết bị bay hơi. Xác định kích thƣớc của bình chứa nƣớc cần làm lạnh. Tính cách nhiệt cho thiết bị bay hơi.

Tính toán bộ thu. Xác định loại than nạp vào bộ thu. Lựa chọn bộ thu. Tính toán kích thƣớc bộ thu.

Tính lƣợng nhiệt cung cấp cho toàn bộ thu để methanol tách ra khỏi chất hấp phụ. Sự thay đổi cƣờng độ bức xạ trong 1 ngày. Năng lƣợng bức xạ mặt trời lớn nhất bộ thu nhận đƣợc. Tính toán tổn thất nhiệt bộ thu.2 Thiết bị ngƣng tụ.

Kiểm tra và hoàn thiện mô hình chế tạo. Kiểm tra khối lƣợng môi chất lạnh bay hơi và ngƣng tụ vào bình chứa. Nạp khối lƣợng môi chất lạnh theo tính toán lý thuyết vào bộ thu. Nạp khối lƣợng môi chất lạnh theo tính toán kiểm tra.

Hoàn thiện chế tạo máy lạnh hấp phụ. 65 KHẢO NGHIỆM MÁY LẠNH HẤP PHỤ. Vận hành máy lạnh hấp phụ. Đánh giá hiệu quả của bộ thu nlmt.

Thiết bị đo lƣờng. Tổ chức thí nghiệm. Xác định độ biến thiên nhiệt độ trên bộ thu. Đánh giá khả năng ứng dụng của máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng than hoạt tính -methanol.

Phân tích quá trình thay đổi nhiệt độ, áp suất tại các thiết bị. Thông số của nƣớc cần làm lạnh lạnh. Tính toán lƣợng nhiệt thực tế làm lạnh nƣớc. Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che.

Lƣợng nhiệt làm lạnh bình bay hơi và bình chứa. Lƣợng nhiệt làm lạnh nƣớc. Lƣợng nhiệt thực tế lấy đi tại bình bay hơi. Hiệu quả của máy lạnh hấp phụ.

Đánh giá hiệu suất máy lạnh hấp phụ. Chƣơng trình tính toán máy lạnh hấp phụ sử dụng chƣơng trình tính toán bằng matlab. 93 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

97 PHỤ LỤC 1: CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN .Tính toán thiết bị bay hơi .Tính toán bộ thu .Tính toán thiết bị ngƣng tụ. Tính toán lƣợng nhiệt thực tế cấp cho bình bay hơi. Tính toán hiệu suất nhiệt của bộ thu. Hình ảnh chế tạo.

113 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG. 118 xi DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Biểu đồ thể hiện công suất lắp đặt các thiết bị khai thác nhiệt năng từ NLMT tại các quốc gia trên thế giới .2: Biểu đồ thể hiện tỉ lệ lắp đặt mới các thiết bị khai thác nhiệt năng từ NLMT tại các quốc gia trên thế giới .3: Tỉ lệ sử dụng nhiệt năng từ NLMT theo mục đích sử dụng tại một số quốc gia và thế giới .4: Biểu đồ thể hiện tỉ lệ các loại collector đƣợc sử dụng .5: Công suất của các hệ thống sử dụng collector loại tập trung trên thế giới từ năm 1984 đến hết năm 2012 .6: Công suất phát của các hệ thống pin MT trên thế giới từ năm 1995 đến 2012 .7: Các kiểu làm lạnh sử dụng NLMT .8: Máy lạnh hấp thụ dùng NLMT loại gián đoạn .9: Máy lạnh hấp phụ sử dụng năng lƣợng mặt trời .1: Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp phụ sử dụng năng lƣợng mặt trời .2: Các quá trình nhiệt của máy lạnh hấp phụ loại gián đoạn trên đồ thị p-T .3: Cấu trúc rỗng, xốp của silicagel .4: Cấu trúc rỗng, xốp của CaCl2 (Calcium chloride) .5: Cấu trúc rỗng, xốp của ZEOLITE .6: Cấu trúc rỗng, xốp của than hoạt tính .1: Mô hình sản xuất nƣớc đá sử dụng cặp môi chất Zeolite-Nƣớc hoặc Than hoạt tính- Methanolcủa Hildbrand a, 2004 ởYverdon-les-Bains; Switzerland; Buchter 2003; Grenier 1988; Pons and Grenier 1987 .2: Mô hình nghiên cứu của nhóm Li, 2002 ở trƣờng đại học. Mbarawa tại Trƣờng đại học kỹ thuật TSHWANE vào năm 2008 .4: Hoàng Dƣơng Hùng, Trần Ngọc Lân nghiên cứu máy lạnh hấp phụ sử dụng cặp chất hấp phụ Than hoạt tính – Methanol tại Trƣờng Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng. Hoàng An Quốc sử dụng Silicagel - Nƣớc .6: Lê Vinh Phát sử dụng Than hoạt tính –Methanol đặt tại .7: Mô hình máy lạnh hấp phụ chế tạo .8: Cấu tạo bình bay hơi cần chế tạo .9: Kết cấu vách dàn bay hơi.10: Các dụng cụ và vật tƣ thí nghiệm .11: Đồ thị tỉ lệ hấp phụ methanol của các loại than vào 3 ngày 17;18 và 19/2/14 .12: Cấu tạo bộ thu năng lƣợng mặt trời .13: Biểu đồ thay đổi cƣờng độ bức xạ mặt trời theo thời gian .14: Thiết bị ngƣng tụ .15: Thử kín cụm thiết bị bộ thu, dàn ngƣng và bình chứa .16: Thử nghiệm khả năng ngƣng tụ môi chất lạnh .17: Đồ thị biểu diễn khả năng môi chất lạnh ngƣng tụ từ bình chứa đến bộ thu .18: Các ống hấp phụ đƣợc khoét lỗ để lấy và nạp than hấp phụ vào .19: Đồ thị biểu diễn khả năng môi chất lạnh ngƣng tụ từ bộ thu đến bình chứa .20: Máy lạnh hấp phụ chế tạo .21: Máy lạnh hấp phụ chế tạo hoàn thiện .1: Thiết bị đo bức xạ mặt trời hiệu PCE – SMP 1 .2: Thiết bị đo nhiệt độ hiệu DSFox 1004 của Hàn Quốc .3: Vị trí điểm đo trên các ống hấp phụ .4: Biến thiên nhiệt độ bề mặt bộ thu theo thời gian .5: Đƣờng truyền của các tia bức xạ theo hƣớng trực xạ .6: Quá trình thay đổi nhiệt độ và áp suất từ 6 giờ đến 20 giờ ngày 15 và 16/04/2014.

Quá trình ngƣng tụ môi chất lạnh .7: Quá trình thay đổi nhiệt độ và áp suất từ 20 giờ đến 5 giờ ngày 15 và 16/04/2014. Quá trình làm lạnh nƣớc.8: Đồ thị biểu diển sự thay đổi nhiệt độ của nƣớc lạnh .9: Biểu đồ hệ số làm lạnh máy lạnh hấp phụ .10 : Chƣơng trình chính tính toán máy lạnh hấp phụ mặt .11 : Sơ đồ khối tính toán thiết bị bay hơi .12 : Chƣơng trình chính tính toán thiết bị bay hơi .13 : Sơ đồ khối tính toán nhiệt collector .14 : Chƣơng trình chính tính toán nhiệt collector .15 : Sơ đồ khối tính toán thiết bị ngƣng tụ .16 : Chƣơng trình tính toán thiết bị ngƣng tụ .17 : Sơ đồ khối tính toán nhiệt thực tế .18 : Chƣơng trình chính tính toán nhiệt thực tế. 92 xiv DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Trình bày tổng hợp các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm máy lạnh hấp phụ .1: Tính chất làm việc các cặp chất hấp phụ .1: Thông số vật liệu bình bay hơi .2: Các thông số của vật liệu thiết bị bay hơi .3: Tổng hợp kích thƣớc dàn bay hơi. Tổng kết quả tính toán .5: Các thông số vật lý tại 47,3 0C.

1: Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che.2: Lƣợng nhiệt làm lạnh bình bay hơi và bình chứa.3: Lƣợng nhiệt làm lạnh nƣớc .4: Nhiệt lƣợng cần cung cấp cho dàn bay hơi trong suốt thời gian làm việc của hệ thống .5: Hệ số làm lạnh của máy lạnh máy lạnh hấp phụ. 81 xv CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU NLMT – Năng lƣợng mặt trời E – Cƣờng độ bức xạ mặt trời, W/m2 F – Diện tích, m2 η – Thời gian M – Khối lƣợng, kg ρ – Khối lƣợng riêng, kg/m3 d – Đƣờng kính, m t – Nhiệt độ, 0C p – Áp suất, N/m2 V – Thể tích, m3 k – Hệ số truyền nhiệt, W/m2.K  – Hệ số toả nhiệt, W/m2.