Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong chu trình máy lạnh hấp thụ, bình hấp thụ đóng vai trò quyết định đến hiệu suất vận hành và chiếm tỷ trọng chi phí lớn trong toàn bộ hệ thống (diện tích truyền nhiệt của bình hấp thụ thường chiếm khoảng 40% tổng diện tích truyền nhiệt của toàn hệ thống). Việc nâng cao hiệu quả truyền nhiệt và truyền chất tại bình hấp thụ cho phép giảm kích thước bề mặt trao đổi nhiệt, từ đó giảm chi phí chế tạo.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu ứng dụng hệ thống lạnh hấp thụ $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ nhằm phục vụ mục đích sản xuất nước đá và bảo quản sản phẩm còn hạn chế. Quá trình truyền nhiệt và truyền chất kết hợp diễn ra đồng thời trong bình hấp thụ có tính chất phức tạp. Các nghiên cứu trước đây trên thế giới thường tập trung khảo sát các bộ hấp thụ riêng lẻ trong điều kiện phòng thí nghiệm hoặc trên các dạng cấu trúc đòi hỏi công nghệ chế tạo phức tạp (như dạng bọt, vách thấm, ống vi mô micro-channel). Khoảng trống nghiên cứu thực tế đặt ra là:

  1. Thiếu các dữ liệu thực nghiệm và mô hình tính toán kết hợp cho bình hấp thụ dạng màng chảy trên chùm ống nằm ngang được tích hợp hoàn chỉnh trong một chu trình máy lạnh hấp thụ $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ hoạt động liên tục để sản xuất nước đá.
  2. Chưa xác định rõ mối quan hệ tương quan giữa hệ số truyền nhiệt ($k$), hệ số truyền chất ($h_m$) với các biến số vận hành cơ bản (nồng độ dung dịch, mật độ phân phối dòng, nhiệt độ nước giải nhiệt) trong điều kiện chế tạo và vận hành tại Việt Nam.
  3. Chưa làm rõ ảnh hưởng của nồng độ dung dịch nạp ban đầu đến hiệu suất (COP) và độ ổn định của hệ thống sản xuất nước đá.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Văn bản luận án xác định các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể như sau:

  1. Lựa chọn cấu trúc bình hấp thụ kiểu màng chảy trên chùm ống tròn nằm ngang phù hợp với điều kiện gia công, chế tạo trong nước mà không cần đầu tư dây chuyền công nghệ mới.
  2. Xây dựng mô hình toán học hai chiều mô tả quá trình truyền nhiệt và truyền chất đồng thời của màng dung dịch $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ chảy ngoài chùm ống nằm ngang; phát triển chương trình mô phỏng số bằng ngôn ngữ Matlab để giải hệ phương trình vi phân từng phần.
  3. Thiết lập chương trình mô phỏng toàn bộ chu trình máy lạnh hấp thụ $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ một cấp hoạt động liên tục nhằm xác định các thông số nhiệt động tại các điểm nút và tối ưu hóa chế độ vận hành.
  4. Thiết kế, chế tạo mô hình thực nghiệm máy lạnh hấp thụ $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ hoàn chỉnh có công suất lạnh định mức khoảng $2\text{ kW}$ phục vụ mục đích sản xuất nước đá.
  5. Tiến hành thực nghiệm để xác định nồng độ dung dịch nạp tối ưu, đánh giá ảnh hưởng của các thông số vận hành (nhiệt độ phát sinh, nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ, lưu lượng dung dịch, lưu lượng nước giải nhiệt) đến COP và $\text{COP}_u$.
  6. Xác lập phương trình tương quan thực nghiệm tính toán hệ số truyền nhiệt ($k$) và hệ số truyền chất ($h_m$) theo các thông số công nghệ; so sánh, kiểm chứng kết quả mô phỏng số với dữ liệu thực nghiệm và các công bố quốc tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Quá trình truyền nhiệt và truyền chất đồng thời giữa pha lỏng (dung dịch $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$) và pha hơi ($\text{NH}_3$) trong bình hấp thụ dạng màng chảy trên chùm ống nằm ngang; chu trình máy lạnh hấp thụ $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ một cấp loại liên tục.
  • Phạm vi thông số khảo sát:
    • Máy lạnh hấp thụ công suất lạnh khoảng $2\text{ kW}$, ứng dụng làm lạnh dung dịch nước muối từ $-10^\circ\text{C}$ đến $-19^\circ\text{C}$ để sản xuất nước đá.
    • Nồng độ dung dịch nạp ban đầu khảo sát trong dải từ $29,5%$ đến $32,5%$.
    • Mật độ phân phối dung dịch theo chiều dài ống $\Gamma$ trong khoảng $0,001$ đến $0,02\text{ kg}/(\text{m}\cdot\text{s})$ (khảo sát các mức $0,001; 0,005; 0,008; 0,0113; 0,02\text{ kg}/(\text{m}\cdot\text{s})$).
    • Nồng độ dung dịch loãng vào bình hấp thụ trong dải $28%$ đến $31%$.
    • Nhiệt độ nước giải nhiệt $T_w$ trong khoảng $301\text{ K}$ đến $311\text{ K}$ (tương đương $28^\circ\text{C}$ đến $38^\circ\text{C}$, dải đo thực nghiệm $30^\circ\text{C}$ đến $36^\circ\text{C}$).
    • Kích thước hình học ống giải nhiệt: ống trơn đường kính ngoài $\Phi 9,6\text{ mm}$, bề mặt ngoài được xử lý thổi cát để tăng độ ướt.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Các nghiên cứu về máy lạnh hấp thụ và quá trình truyền nhiệt - truyền chất trong bình hấp thụ trên thế giới được tác giả tổng hợp theo các nhóm chính:

  • Nghiên cứu chu trình và nâng cao hiệu suất hệ thống: Rogdakis và Antonopoulos (1989) nghiên cứu hệ thống hấp thụ $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ hai cấp hạ nhiệt độ môi chất xuống $-70^\circ\text{C}$. Sun (1997) so sánh chu trình sử dụng $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3\text{-LiNO}_3$ và $\text{NH}_3\text{-NaSCN}$. Jawahar và cộng sự (2008) ứng dụng công nghệ Pinch để thu hồi nhiệt, nâng cao COP từ $17%$ đến $56%$. Brice Le Lostec và cộng sự (2008, 2012) thực nghiệm hệ thống chiller $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ công suất $10\text{ kW}$ đạt $\text{COP} = 0,6$ và phân tích hiện tượng cấp liệu quá mức (overfeeding) ở bộ bay hơi. Weihua Cai và cộng sự (2012) xây dựng mô hình động học dựa trên phương trình trạng thái. Mathew Aneke và cộng sự (2012) so sánh chu trình Rankine hữu cơ (ORC) kéo máy nén với máy lạnh hấp thụ $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ bảo quản thực phẩm ở $-18^\circ\text{C}$. Muammer Ozgoren và cộng sự (2012) khảo sát máy lạnh hấp thụ năng lượng mặt trời tại Thổ Nhĩ Kỳ có COP làm mát biến thiên từ $0,243$ đến $0,454$. Kong Dingfeng và cộng sự (2009) mô hình hóa và thực nghiệm hệ thống một cấp, chỉ ra tổn thất nhiệt ở bình phát sinh ảnh hưởng lớn đến hiệu suất.
  • Nghiên cứu lý thuyết truyền nhiệt - truyền chất màng chảy: Nakoryakov và Grigor (1977) giải giải tích quá trình hấp thụ màng chảy tầng trên vách đứng đẳng nhiệt bằng chuỗi Fourier. Grossman (1983) phân tích màng chảy tầng trên tấm đứng cho cả điều kiện vách đẳng nhiệt và đoạn nhiệt bằng phương pháp sai phân hữu hạn. Andberg và Vliet (1983, 1987) phát triển mô hình tính toán màng chảy trên vách đứng và ống tròn nằm ngang, kết luận lưu lượng dung dịch ảnh hưởng mạnh nhất đến chiều dài yêu cầu của bình hấp thụ. Wekken và Wassenaar (1988), Habib và Wood (1989), Ibrahim và Vinnicombe (1993), Conlisk (1995) phát triển các mô hình lớp biên và sai phân giải hệ phương trình truyền nhiệt - truyền chất. Chowdhury và cộng sự (2000) phát triển mô hình số 2 chiều cho ống đơn nằm ngang có xét đến sự thay đổi bề dày màng. Min và Choi (1999) giải phương trình Navier-Stokes bằng thuật toán SIMPLER và MAC, chứng minh sức căng bề mặt làm tăng tốc độ hấp thụ khoảng $4%$. Killion và Garimella (2001, 2003) phân tích tổng quan về động học màng - giọt và tỉ lệ ướt bề mặt.
  • Nghiên cứu thực nghiệm và động học màng chảy: Cosenza và Vliet (1990) xây dựng quan hệ Nusselt theo Reynolds trên ống tròn nằm ngang. Matsuda và cộng sự (1994), Hoffman và cộng sự (1997), Wassenaar (1993), Miller và Keyhani (2001), Sangsoo Lee và cộng sự (2002) tiến hành đo đạc phân bố nhiệt độ và xác định hệ số truyền nhiệt, truyền chất của màng dung dịch. Ganic và Roppo (1980), Rogers và Goindi (1989), Armbruster và Mitrovic (1994, 1998), Hu và Jacobi (1996, 1998) phân loại các chế độ chảy giữa các ống ngang thành 6 dạng: giọt, giọt-tia, tia thẳng hàng, tia so le, tia-tấm và tấm, đồng thời xác lập tiêu chuẩn chuyển đổi chế độ dòng qua các số không thứ nguyên Reynolds và Galileo.

Bảng tổng hợp một số công trình nghiên cứu kích thước ống và quá trình hấp thụ

Tác giả / Tài liệu Kích thước ống giải nhiệt $(\text{mm})$ Chế độ dòng chảy / Thông số khảo sát Kết quả chính
Meacham & Garimella [5, 18] $D_o = 1,575$; $D_i = 1,168$; $L = 137$ Ống micro; $Q_a = 4,5 \div 15,1\text{ kW}$ $k = 545 \div 940\text{ W}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$; $\alpha_f = 638 \div 1648\text{ W}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$; tăng số cột làm tăng tỉ số ướt.
Srinivas Garimella & ctv [16] $D_o = 1,575$; $D_i = 1,168$ Ống micro; $Q_a = 5,8 \div 21\text{ kW}$; $Q_e = 10,55\text{ kW}$ $k = 540 \div 1160\text{ W}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$; $\alpha_f = 800 \div 2900\text{ W}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$.
Kwon & Jeong [17] $D_o = 3,2$; $D_i = 2,3$; $L = 100$ Chùm ống có gắn lưới nối giữa các ống Giảm kích thước bình hấp thụ $25%$ so với kết cấu không gắn lưới ($Q_a = 2,8\text{ kW}$).
Binglu Ruan & ctv [70] $D_o = 25,4$; khoảng cách dọc $H_v = 11, 24, 45$ Dòng hơi ngược chiều $v = 0 \div 5,8\text{ m/s}$ Vận tốc hơi $> 3,5\text{ m/s}$ làm mất ổn định màng chảy; chuyển đổi giọt - tia bị ảnh hưởng.
Raisul Islam [71] $D_o = 19$; bề dày $1\text{ mm}$; $L = 160$ 24 hàng ống đồng nằm ngang Dòng chất hấp thụ tăng khi tăng áp suất, tăng lưu lượng nước giải nhiệt và mật độ phun.
Tong [6] $D_o = 15,88; 12,7; 9,52$ Khảo sát chiller hấp thụ thương mại $20\text{ RT}$ $k = 0,571 \div 0,831\text{ kW}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$; hệ số truyền nhiệt tăng khi đường kính ống giảm.
Sangsoo Lee & ctv [72] $D_o = 9,5$; dày $0,7$; $L = 292$ 6 hàng, 4 cột; $Q_a = 3,11 \div 10,2\text{ kW}$ $k = 0,88\text{ kW}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$; $h_m = 1,65 \times 10^{-5}\text{ m/s}$ tại điều kiện $C = 0,25; \Gamma = 0,008$.

Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, các hướng nghiên cứu tập trung vào hệ thống $\text{H}_2\text{O-LiBr}$ dùng cho điều hòa không khí và $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ dùng cho làm lạnh:

  • Lê Chí Hiệp và Võ Kiến Quốc (2000) nghiên cứu hệ thống hấp thụ $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ gián đoạn dùng collector mặt trời ống - cánh, sản xuất được $1,6 \div 2,5\text{ kg}$ đá/$\text{m}^2$ collector/ngày.
  • Hoàng An Quốc (2012) nghiên cứu bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống nhiệt phẳng và chân không cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ, xác định tỷ số diện tích bộ thu trên công suất lạnh ($F/Q$).
  • Trần Thanh Kỳ (2000) nghiên cứu chế tạo máy lạnh hấp thụ $\text{NH}_3$ sử dụng nguồn nhiệt từ lò hơi đốt than cám, trấu, mùn cưa nhưng gặp khó khăn về tính ổn định khi vận hành.
  • Đặng Trần Thọ, Đặng Thế Hùng (2009) nghiên cứu mô hình máy lạnh hấp thụ hoạt động trong điều kiện rung lắc; Nguyễn Thành Văn (2010) nghiên cứu hệ thống điều hòa không khí năng lượng mặt trời.

Khoảng trống luận án giải quyết

Luận án tập trung giải quyết việc kết hợp giữa mô phỏng số chi tiết quá trình truyền nhiệt - truyền chất của bình hấp thụ dạng màng chảy trên chùm ống nằm ngang $\Phi 9,6\text{ mm}$ với mô hình thực nghiệm máy lạnh hấp thụ $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ hoàn chỉnh ($2\text{ kW}$) phục vụ làm đá trong điều kiện thực tế của Việt Nam, xây dựng các công thức thực nghiệm tính toán $k$ và $h_m$ có độ chính xác cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

  • Lý thuyết màng chảy tầng và truyền nhiệt - truyền chất đồng thời: Quá trình hấp thụ hơi $\text{NH}_3$ vào màng dung dịch $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ chảy bao quanh ống tròn nằm ngang được mô tả bằng hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng:
    • Phương trình liên tục và phương trình động lượng dọc theo góc ôm $\theta$ (trục $x$) và phương vuông góc với bề mặt ống (trục $y$).
    • Phương trình bảo toàn năng lượng cho lớp màng lỏng có xét đến nguồn nhiệt sinh ra do nhiệt hấp thụ ($q_{ab}$) tại bề mặt tiếp xúc lỏng - hơi.
    • Phương trình khuếch tán cấu tử (chất $\text{NH}_3$) theo định luật Fick.
  • Mô hình vật lý 2 chiều: Phân tích một phần tử thể tích đại diện trên nửa chu vi ống tròn nằm ngang. Các giả thuyết bao gồm: dung dịch chảy tầng, bề dày màng mỏng so với bán kính ống, dòng hơi $\text{NH}_3$ tiếp xúc trực tiếp tại mặt thoáng của màng lỏng, nhiệt dung dịch được truyền qua thành ống vào dòng nước giải nhiệt chảy bên trong ống.
  • Các phương trình trạng thái nhiệt động: Sử dụng các tương quan nhiệt động chuẩn của hỗn hợp $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ để xác định entanpy riêng ($h$), nồng độ khối lượng ($C$), áp suất hơi bão hòa ($P$), và các đại lượng dẫn xuất không thứ nguyên (Reynolds $\text{Re}$, Prandtl $\text{Pr}$, Nusselt $\text{Nu}$, Sherwood $\text{Sh}$).

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp mô phỏng số:
    • Sử dụng ngôn ngữ Matlab lập trình thuật toán giải hệ phương trình vi phân từng phần cho phần tử thể tích ống và ghép nối cho toàn bộ chùm ống song song nhiều hàng, nhiều cột.
    • Thiết lập lưu đồ thuật toán tính toán chu trình nhiệt động tổng thể của máy lạnh hấp thụ một cấp để xác định các thông số trạng thái tại các điểm nút, công suất các thiết bị và hệ số hiệu quả COP.
  2. Phương pháp thực nghiệm:
    • Chế tạo máy lạnh hấp thụ $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ hoàn chỉnh công suất lạnh $2\text{ kW}$ gồm: bình phát sinh (kèm cột tinh cất/chiết tách), bình ngưng tụ, bình hấp thụ chùm ống nằm ngang, bộ bay hơi làm lạnh nước muối, bình chứa và bơm dung dịch.
    • Bình hấp thụ chế tạo dạng vỏ hộp chữ nhật, bên trong bố trí chùm ống giải nhiệt gồm 6 hàng, 28 tầng ống trơn đường kính ngoài $9,6\text{ mm}$, bước dọc $20\text{ mm}$, bước ngang $13\text{ mm}$. Ống phân phối dung dịch loãng phía trên khoan lỗ $\Phi 1,2\text{ mm}$ bước lỗ $4\text{ mm}$. Bề mặt ống được xử lý thổi cát.
    • Thu thập dữ liệu thực nghiệm thông qua hệ thống cảm biến nhiệt độ, áp suất, lưu lượng kế và lấy mẫu phân tích nồng độ dung dịch loãng, dung dịch đặc.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở khoa học về máy lạnh hấp thụ và các dạng bình hấp thụ (dạng màng lỏng, dạng bọt, ống vi mô, vách phẳng, vách thấm). Đánh giá ưu nhược điểm của từng kết cấu và phân tích cơ chế thủy động lực học của màng chảy trên chùm ống nằm ngang (các chế độ rơi giọt, tia, tấm). Xác định lý do lựa chọn bình hấp thụ dạng màng chảy trên chùm ống trơn nằm ngang, mật độ phân phối thấp để duy trì chế độ chảy giọt nhằm tối ưu hóa diện tích tiếp xúc và truyền nhiệt trong điều kiện chế tạo tại Việt Nam.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết hấp thụ kiểu màng chảy

Trình bày sơ đồ nguyên lý chu trình máy lạnh hấp thụ $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ một cấp, đồ thị $i\text{-}C$ và các thông số nhiệt động của chu trình. Thiết lập mô hình vật lý 2 chiều cho phần tử thể tích màng lỏng chảy quanh ống nằm ngang có đường kính $\Phi 9,6\text{ mm}$. Xây dựng hệ phương trình bảo toàn động lượng, năng lượng và nồng độ cấu tử cùng các điều kiện biên tương ứng tại bề mặt tiếp xúc lỏng - hơi và bề mặt vách ống truyền nhiệt vào dòng nước làm mát chảy ngược chiều.

Chương 3: Mô phỏng hệ thống và bình hấp thụ

Phát triển thuật toán và chương trình mô phỏng số bằng Matlab cho hai cấp độ:

  1. Mô phỏng hệ thống: Tính toán cân bằng nhiệt - chất tại các điểm nút chu trình, xác định công suất nhiệt của bình phát sinh ($Q_g$), bình ngưng tụ ($Q_c$), bình hấp thụ ($Q_a$), bộ bay hơi ($Q_e$), công bơm ($W_p$) và hệ số COP.
  2. Mô phỏng bình hấp thụ: Giải trường vận tốc ($u, v$), trường nhiệt độ ($T$), trường nồng độ ($C$) và sự biến thiên bề dày màng ($\delta$) dọc theo góc ôm ống $\theta$. Tính toán hệ số tỏa nhiệt của lớp màng $\alpha_f$, hệ số truyền nhiệt tổng $k$ và hệ số truyền chất $h_m$. Khảo sát phân bố nhiệt độ và công suất hấp thụ dọc theo 28 tầng ống của chùm ống.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Mô tả quy trình chế tạo, lắp ráp và vận hành mô hình thực nghiệm máy lạnh hấp thụ $2\text{ kW}$ sản xuất nước đá. Tiến hành các chuỗi thí nghiệm:

  • Khảo sát nồng độ dung dịch nạp ban đầu từ $29,5%$ đến $32,5%$.
  • Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dung dịch loãng từ bình phát sinh đến bình hấp thụ.
  • Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hơi $\text{NH}_3$ từ bộ bay hơi.
  • Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng và nhiệt độ nước giải nhiệt ($30^\circ\text{C} \div 36^\circ\text{C}$) cấp vào bình hấp thụ và bình ngưng tụ.
  • Ghi nhận các thông số điểm nút, công suất nhiệt và hệ số hiệu quả làm lạnh nước muối $\text{COP}_u$ khi hạ nhiệt độ nước muối xuống dải $-10^\circ\text{C} \div -19^\circ\text{C}$.

Chương 5: Kết quả và thảo luận

Đánh giá so sánh chi tiết giữa dữ liệu mô phỏng số và dữ liệu đo đạc thực nghiệm:

  • Xác định chế độ làm việc tối ưu của hệ thống tại nồng độ nạp $31%$.
  • Phân tích quy luật biến thiên của $k$ và $h_m$: hệ số truyền nhiệt $k$ tăng ở 1/4 cung đầu của nửa chu vi ống rồi giảm dần ở 1/4 sau; hệ số truyền chất $h_m$ đạt cực đại ngay tại vị trí dung dịch vừa tiếp xúc với đỉnh ống, sau đó giảm nhanh và duy trì tương đối phẳng.
  • Xác lập phương trình hàm số thực nghiệm biểu diễn $k$ và $h_m$ theo nồng độ ($C$), mật độ phun ($\Gamma$) và nhiệt độ nước làm mát ($T_w$).
  • Phân tích sai số: sai số tính toán công suất nhiệt bình hấp thụ $Q_{a\text{ compute}}$ so với thực nghiệm $Q_{a\text{ meas}}$ là $4,3%$; sai số từ mô hình số $Q_{a\text{ sim}}$ so với $Q_{a\text{ meas}}$ là $12,3%$; sai số trung bình của COP giữa lý thuyết và thực nghiệm trong dải nước muối $-10^\circ\text{C} \div -19^\circ\text{C}$ là $1,2%$.

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về mặt học thuật và thực tiễn kỹ thuật của luận án; nêu rõ các đóng góp mới và đề xuất các hướng nghiên cứu mở rộng tiếp theo.

Kết quả và những đóng góp mới

Kết quả định lượng và các phương trình xác lập

  1. Thông số tối ưu của hệ thống sản xuất nước đá:

    • Nồng độ dung dịch nạp thích hợp nhất được xác định là $31%$.
    • Tại nồng độ nạp $31%$, hệ thống vận hành ổn định đạt: $\text{COP} = 0,436$; hệ số hiệu quả làm lạnh nước muối $\text{COP}_u = 0,262$.
    • Nhiệt độ trung bình hơi $\text{NH}_3$ rời bình phát sinh: $t_8 = 116,5^\circ\text{C}$.
    • Nồng độ trung bình dung dịch loãng ra khỏi bình phát sinh: $C_w = 29,14%$.
    • Nồng độ trung bình dung dịch đặc ra khỏi bình hấp thụ: $C_s = 34,11%$.
    • Khi nhiệt độ nước muối hạ từ $-10^\circ\text{C}$ xuống $-19^\circ\text{C}$, sai số trung bình giữa mô hình lý thuyết và thực nghiệm chỉ là $1,2%$.

  2. Hệ số truyền nhiệt và truyền chất:

    • Luận án đã thiết lập thành công mối quan hệ hàm số xác định hệ số truyền nhiệt $k$ $[\text{kW}/(\text{m}^2\cdot\text{K})]$ và hệ số truyền chất $h_m$ $[\text{m/s}]$ trong bình hấp thụ dạng màng chảy trên chùm ống nằm ngang theo dạng: $$k = f(C, \Gamma, T_w)$$ $$h_m = f(C, \Gamma, T_w)$$
    • Giá trị tính toán từ phương trình tương quan tại điểm đại diện ($C = 0,308$; $\Gamma = 0,008\text{ kg}/(\text{m}\cdot\text{s})$; $T_w = 306,3\text{ K}$) đạt:
      • Hệ số truyền nhiệt: $k = 0,863\text{ kW}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$.
      • Hệ số truyền chất: $h_m = 1,45 \times 10^{-5}\text{ m/s}$.
    • Kết quả này tương đồng và phù hợp với công bố của Sangsoo Lee và cộng sự ($k = 0,88\text{ kW}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$; $h_m = 1,65 \times 10^{-5}\text{ m/s}$ tại $C = 0,25; \Gamma = 0,008\text{ kg}/(\text{m}\cdot\text{s})$).
Thông số đánh giá Kết quả tính toán / Mô phỏng Kết quả đo đạc thực nghiệm Độ sai lệch
Công suất nhiệt bình hấp thụ $Q_a$ $Q_{a\text{ compute}}$ (mô hình hệ thống) $Q_{a\text{ meas}}$ $4,3%$
Công suất nhiệt bình hấp thụ $Q_a$ $Q_{a\text{ sim}}$ (từ tương quan $k$) $Q_{a\text{ meas}}$ $12,3%$
Hệ số hiệu quả chu trình COP $\text{COP}_{\text{lý thuyết}}$ $\text{COP}_{\text{thực nghiệm}}$ $1,2%$ (trung bình ở dải $-10 \div -19^\circ\text{C}$)
Nồng độ nạp tối ưu $-$ $31%$ $\text{COP} = 0,436; \text{COP}_u = 0,262$

Đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn

  • Về mặt khoa học: Luận án đã xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học 2 chiều mô tả quá trình truyền nhiệt - truyền chất đồng thời cho màng dung dịch $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ chảy trên chùm ống tròn nằm ngang đường kính nhỏ ($\Phi 9,6\text{ mm}$), làm sáng tỏ quy luật biến thiên cục bộ của trường nồng độ, nhiệt độ, bề dày màng và các hệ số trao đổi nhiệt - chất ($\alpha_f, k, h_m$) dọc theo chu vi ống.
  • Về mặt thực tiễn: Thiết kế, chế tạo thành công mẫu máy lạnh hấp thụ $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ một cấp hoàn chỉnh công suất $2\text{ kW}$ hoạt động liên tục phục vụ sản xuất nước đá phù hợp với điều kiện công nghệ gia công cơ khí trong nước; cung cấp các phương trình tương quan thực nghiệm và bộ chương trình Matlab hỗ trợ tính toán, thiết kế bình hấp thụ cho các kỹ sư ngành nhiệt - lạnh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung trình bày trong văn bản luận án, các hạn chế và định hướng phát triển gồm:

  • Hạn chế về phạm vi khảo sát thực nghiệm: Mô hình thực nghiệm tập trung vào quy mô công suất nhỏ ($2\text{ kW}$), kết cấu chùm ống trơn $\Phi 9,6\text{ mm}$ với chế độ dòng chảy giọt ở mật độ phân phối thấp ($\Gamma \le 0,02\text{ kg}/(\text{m}\cdot\text{s})$). Chưa khảo sát sâu ở các dải công suất công nghiệp lớn hơn hoặc các kiểu bề mặt ống trao đổi nhiệt có cánh, rãnh vi mô.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu mở rộng ứng dụng các nguồn nhiệt cấp đa dạng như năng lượng mặt trời hiệu suất cao hoặc tận dụng nguồn nhiệt thải công nghiệp để cấp nhiệt cho bình phát sinh.
    • Khảo sát hoàn thiện tự động hóa quá trình điều khiển lưu lượng và nồng độ dung dịch nhằm duy trì hệ số COP tối ưu khi phụ tải nhiệt thay đổi liên tục.
    • Nghiên cứu nâng cao độ ướt bề mặt và tối ưu hóa thêm khoảng cách giữa các hàng ống trong chùm ống khi nâng công suất máy.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo kỹ thuật có giá trị tham khảo cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Nhiệt, Năng lượng: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình toán học 2 chiều giải hệ phương trình vi phân từng phần mô tả quá trình truyền nhiệt - truyền chất đồng thời, cũng như thuật toán mô phỏng chu trình hấp thụ trên phần mềm Matlab (chi tiết tại phần Phụ lục mã nguồn của luận án).
  • Giảng viên và kỹ sư thiết kế hệ thống Lạnh - Điều hòa không khí: Sử dụng trực tiếp các công thức tương quan tính toán hệ số truyền nhiệt $k$ và hệ số truyền chất $h_m$, cùng các thông số kết cấu hình học của bình hấp thụ chùm ống nằm ngang $\Phi 9,6\text{ mm}$ để thiết kế, chế tạo thiết bị hấp thụ công suất vừa và nhỏ.
  • Các đơn vị sản xuất máy lạnh và thiết bị chế biến bảo quản: Tham khảo cấu hình máy lạnh hấp thụ $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ sản xuất nước đá vận hành ổn định ở nồng độ nạp $31%$ với công nghệ gia công nội địa, phục vụ mục tiêu tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu trúc bình hấp thụ được tác giả lựa chọn chế tạo trong luận án có đặc điểm gì?

Tác giả lựa chọn bình hấp thụ dạng màng chảy trên chùm ống trơn nằm ngang, đặt trong vỏ hình hộp chữ nhật. Chùm ống gồm 6 hàng và 28 tầng ống giải nhiệt bằng đồng/thép có đường kính ngoài $\Phi 9,6\text{ mm}$, bước ống dọc tối ưu $20\text{ mm}$, bước ngang $13\text{ mm}$. Phía trên bố trí ống phân phối dung dịch loãng khoan lỗ $\Phi 1,2\text{ mm}$ bước lỗ $4\text{ mm}$ và bề mặt ống được thổi cát để tăng độ dẫn ướt bề mặt, duy trì chế độ phân phối dung dịch dạng chảy giọt.

2. Nồng độ dung dịch nạp ban đầu tối ưu cho máy lạnh hấp thụ sản xuất nước đá là bao nhiêu?

Qua chuỗi thí nghiệm khảo sát nồng độ từ $29,5%$ đến $32,5%$, kết quả chỉ ra nồng độ dung dịch nạp phù hợp nhất là $31%$. Tại nồng độ này, hệ thống đạt hệ số hiệu quả chu trình $\text{COP} = 0,436$, hệ số hiệu quả làm lạnh nước muối $\text{COP}_u = 0,262$, nhiệt độ hơi $\text{NH}_3$ rời bình phát sinh trung bình là $116,5^\circ\text{C}$, nồng độ dung dịch loãng và đặc trung bình lần lượt là $29,14%$ và $34,11%$.

3. Quy luật biến thiên của hệ số truyền nhiệt ($k$) và hệ số truyền chất ($h_m$) dọc theo nửa chu vi ống diễn ra như thế nào?

Theo kết quả mô phỏng số 2 chiều, hệ số truyền nhiệt $k$ tăng ở 1/4 đoạn đầu của nửa chu vi ống và giảm dần ở 1/4 đoạn sau do tốc độ hấp thụ giảm khi lớp màng dày lên và cân bằng nhiệt. Trong khi đó, hệ số truyền chất $h_m$ tăng vọt đạt đỉnh tại vị trí dòng dung dịch loãng vừa tiếp xúc với đỉnh ống, sau đó giảm nhanh và duy trì biên dạng tương đối phẳng trước khi rời khỏi đáy ống.

4. Độ chính xác giữa mô hình tính toán số và kết quả đo đạc thực nghiệm được kiểm chứng ra sao?

Độ chính xác được kiểm chứng qua ba chỉ số chính:

  • Sai số công suất nhiệt bình hấp thụ giữa mô hình tính toán hệ thống $Q_{a\text{ compute}}$ và thực nghiệm $Q_{a\text{ meas}}$ là $4,3%$.
  • Sai số công suất nhiệt bình hấp thụ giữa mô phỏng số $Q_{a\text{ sim}}$ (tính từ phương trình tương quan $k$) và thực nghiệm $Q_{a\text{ meas}}$ là $12,3%$.
  • Sai số trung bình của COP giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm trong khoảng nhiệt độ nước muối từ $-10^\circ\text{C}$ đến $-19^\circ\text{C}$ là $1,2%$.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của NCS Nguyễn Hiếu Nghĩa đã nghiên cứu toàn diện quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong bình hấp thụ dạng màng chảy trên chùm ống nằm ngang của máy lạnh hấp thụ $\text{NH}_3\text{-H}_2\text{O}$ một cấp loại liên tục. Công trình đã kết hợp thành công giữa mô hình hóa toán học 2 chiều trên Matlab và thực nghiệm trên mô hình máy sản xuất nước đá công suất $2\text{ kW}$ được chế tạo hoàn toàn trong nước. Kết quả nghiên cứu đã xác định nồng độ nạp tối ưu $31%$, thiết lập phương trình tương quan thực nghiệm tính toán chính xác hệ số truyền nhiệt $k$ và hệ số truyền chất $h_m$, cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu kỹ thuật tin cậy cho việc ứng dụng máy lạnh hấp thụ tại Việt Nam.