Luận án tiến sĩ kỹ thuật nhiệt nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất trong bình hấp thụ của máy lạnh hấp thụ nh3h2o loại liên tục phù hợp với điều kiện việt nam

Luận án tiến sĩ nghiên cứu kỹ thuật nhiệt nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất trong bình hấp thụ của máy lạnh hấp, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng

• Tác giả: Nguyễn Hiếu Nghĩa
• Người hướng dẫn: GS. Lê Chí Hiệp
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
• Đề tài: Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và chất trong bình hấp thụ máy lạnh NH3/H2O loại liên tục phù hợp với điều kiện Việt Nam
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu máy lạnh hấp thụ

Nghiên cứu tập trung vào quá trình truyền nhiệt và chất trong bình hấp thụ của máy lạnh hấp thụ NH3/H2O, phù hợp với điều kiện tại Việt Nam. Quá trình hấp thụ được xác định là yếu tố quan trọng nhất trong việc nâng cao hiệu suất tổng thể của máy lạnh hấp thụ. Các cấu trúc bình hấp thụ và quá trình truyền nhiệt-chất đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới. Mục tiêu chính của nghiên cứu là phát triển ứng dụng máy lạnh hấp thụ NH3-H2O tại Việt Nam, với trọng tâm là lựa chọn cấu trúc bình hấp thụ có thể chế tạo trong nước mà không cần đầu tư công nghệ mới.

1.1 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước

Các nghiên cứu quốc tế đã tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt và chất trong bình hấp thụ, đặc biệt là với màng chảy. Các mô hình toán học và thực nghiệm đã được phát triển để hiểu rõ hơn về động lực học của quá trình hấp thụ. Các kết quả từ các nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các thông số như nồng độ dung dịch, nhiệt độ và lưu lượng có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của máy lạnh hấp thụ.

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, nghiên cứu về máy lạnh hấp thụ NH3-H2O còn hạn chế, chủ yếu tập trung vào việc ứng dụng các công nghệ sẵn có. Nghiên cứu này nhằm lấp đầy khoảng trống đó bằng cách phát triển các mô hình toán học và thực nghiệm phù hợp với điều kiện địa phương, từ đó tạo ra các giải pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

II. Cơ sở lý thuyết về quá trình hấp thụ kiểu màng chảy

Nghiên cứu này tập trung vào quá trình hấp thụ trong bình hấp thụ kiểu màng chảy, nơi dung dịch lỏng và hơi tương tác để truyền nhiệt và chất. Các mô hình toán học được phát triển để mô tả hiện tượng này, bao gồm các phương trình vi phân từng phần. Các thông số như nhiệt độ, nồng độ và lưu lượng được xem xét để tối ưu hóa hiệu suất của bình hấp thụ.

2.1 Mô hình và phương pháp thí nghiệm

Một máy lạnh hấp thụ NH3-H2O hoàn chỉnh được chế tạo với công suất lạnh khoảng 2 kW, được thiết kế để sản xuất nước đá. Các thí nghiệm được thực hiện để thiết lập mối quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt và hệ số truyền chất với các biến số cơ bản ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ.

2.2 Phương pháp giải

Các mô hình toán học được sử dụng để mô phỏng quá trình hấp thụ, bao gồm việc giải các phương trình vi phân từng phần bằng ngôn ngữ lập trình Matlab. Kết quả mô phỏng được so sánh với dữ liệu thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác của mô hình.

III. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ dung dịch nạp phù hợp là 31%, tương ứng với hệ số hiệu quả COP = 0.436 và hệ số hiệu quả làm lạnh nước muối COPu = 0.262. Các thí nghiệm cũng chỉ ra rằng việc giảm nhiệt độ bay hơi và tăng nhiệt độ ngưng tụ có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của máy lạnh hấp thụ.

3.1 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch nạp

Các thí nghiệm xác định nồng độ dung dịch nạp từ 29.5% đến 32.5% cho thấy nồng độ 31% là tối ưu. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây và cho thấy sự ổn định trong hiệu suất của máy lạnh hấp thụ.

3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi và ngưng tụ

Nghiên cứu chỉ ra rằng việc giảm nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh và tăng nhiệt độ ngưng tụ có thể cải thiện hiệu suất của máy lạnh hấp thụ. Điều này được chứng minh thông qua các mô phỏng và thí nghiệm thực tế.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã đóng góp quan trọng vào việc hiểu rõ quá trình truyền nhiệt và chất trong bình hấp thụ của máy lạnh hấp thụ NH3-H2O. Các kết quả thực nghiệm và mô phỏng đã chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ này tại Việt Nam. Các kiến nghị bao gồm việc tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa các thông số và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác.

4.1 Những đóng góp khoa học

Nghiên cứu đã phát triển các mô hình toán học và thực nghiệm để mô tả quá trình hấp thụ trong bình hấp thụ kiểu màng chảy. Các kết quả này đã được so sánh và xác nhận với các nghiên cứu quốc tế, cho thấy sự phù hợp và độ tin cậy cao.

4.2 Hướng phát triển trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa các thông số như nồng độ dung dịch, nhiệt độ và lưu lượng, đồng thời mở rộng ứng dụng của máy lạnh hấp thụ NH3-H2O trong các lĩnh vực công nghiệp và dân dụng tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TONG QUAN Ở chương đầu tiên này, NCS tìm hiểu về tình hình nghiên cứu máy lạnh hấp thụ NH:- HaO loại liên tục và các quá trình truyền nhiệt-truyền chất xuất hiện giữa dung dịch lỏng và hơi trong bộ hấp thụ dạng màng chảy để đánh giá được những ưu điểm và tổn tại của các nghiên cứu trong và ngoài nước. Một trong những hướng nghiên cứu mấu chốt là sự chọn lựa cấu trúc bộ hấp thụ với mong muốn là sẽ chế tạo được tại Việt Nam mà không cần sự đầu tư công nghệ mới nào. Các kết quả nghiên cứu có thể dùng đề tham khảo khi thiết kế, chế tạo và vận hành máy lạnh hấp thụ.1 Tổng quan về nghiên cứu máy lạnh hấp thụ Hầu hết các cặp lưu chất dùng trong chu trình máy lạnh hắp thụ la: H»O-LiBr, NH3-H2O hoặc NH:-H›O-H; [1]. Chu trình hap thụ H2O-LiBr ứng dụng cho nhu cầu làm lạnh lớn hon 0 °C.

Tai 1 bar, nhiệt độ đông đặc của NHạ là -77,7 °C, nhiệt độ bay hơi -33,4 °C ứng dụng cho nhu cầu làm lạnh ở nhiệt độ thấp. Hệ thống NH3-H20-H2 dung NH3 làm môi chất lạnh, Ha tạo chênh lệch áp suất hơi riêng phần cho môi chất lạnh vì thế không cần bơm dung dịch. Các nhà nghiên cứu đánh giá cặp môi chất làm việc NHa-H2O có tính chất vật lý và nhiệt động rất tốt [2], [3].1 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước Sự phát triển của công nghệ và vấn đề năng lượng làm cho máy lạnh hấp thụ trở thành một phương án thay thế hiệu quả và kinh tế cho máy lạnh nén hơi [4], [5]. Gần đây, việc tìm cách nâng cao hiệu quả của máy lạnh hấp thụ đang ở giai đoạn nghiên cứu cao trào [6].

Uppal và cộng sự [7] đã chế tạo một tủ lạnh hấp thụ công suất nhỏ để chứa vaccines. Nguồn nhiệt cấp từ năng lượng mặt trời. Staicovici, 1986 phát triển hệ thống hấp thụ gián đoạn một cấp để bảo quản cá có COP thực từ 0,25 + 0,3 với nhiệt độ phát sinh và ngưng tụ lần lượt là 80 °C va 24,3 °C. Rogdakis và Antonopoulos [8] nghiên cứu hệ thống lạnh hấp thụ NH:-H:O hai cấp.

Nhiệt độ môi chất lạnh có thé giảm xuống -70 °C. Theo mô phỏng này, khi nhiệt độ môi trường 10 °C thì COP thay đôi từ 20 + 65% tương ứng với nhiệt độ bay hơi thấp nhất từ -70 + -30 °C. Sun [9] phân tích nhiệt động cho các chu trình sử dụng ammonia-nước, ammonia- lithium nitrate, và ammonia-sodiumthiocyanate. Hiệu suất của ba chu trình được so sánh cho thấy ammonia-lithium nitrate và ammonia-sodium thiocyanate có thể thay thế cho ammonia-nước.

Jawahar và cộng sự [10] đã nghiên cứu nhiệt động của hệ thống lạnh hấp thu NH3- H2O bằng công nghệ Pinch để thu hồi lượng nhiệt lớn nhất từ dòng lưu chất làm tăng hiệu suất của hệ thống. Hệ thống được mô phỏng có nhiệt độ bộ phát sinh từ 120 + 150 °Œ, nhiệt độ giải nhiệt từ 25 + 45 ”C và nhiệt độ bay hơi từ -10 + 10 2Œ. So với hệ thống thông thường thì COP có thể cao hơn 17 + 56%. Brice Le Lostec và cộng sự [11] làm thực nghiệm hệ thống chiller NH3-H2O mot cap đạt được COP bằng 0,6.

Khi nhiệt độ bay hoi giam, COP sé giam dang ké. Điều này có thể được giải thích bằng hiện tượng cấp liệu quá mức (overfeeding) của bộ bay hơi. Hiện tượng này cũng được quan sát từ những NCS khác khi nhiệt độ của bộ phát sinh tăng (Albers va Ziegler, 2003), (Asdrubali va Grignaffini, 2005). Bén canh do 1a su thay đổi của công suất lạnh từ sự điều chỉnh tiết lưu môi chất lạnh.

Hiệu suất của chiller hấp thụ còn liên quan đến nguồn nhiệt, nhiệt độ giải nhiệt cũng như lưu lượng của dòng dung dịch đặc. Weihua Cai và cộng sự, [12] đã nghiên cứu mô hình động học của chu trình lạnh hấp thụ một cấp. Chu trình lạnh hấp thụ tập trung vào khối lượng, động lượng và cân bằng năng lượng của từng bộ phận của hệ thống. Vài thông số thiết kế ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống được xác định.

Qc CC” Nguồn nhiệt d6 cao_> | m¬ Di dich „__ Dung dịc — |7 vy, X | Môi chát lạnh \ | = ¡9| = | Bộ trao đổi nhiệt. ⁄ NN E et co “> C— Không gianlạnh —` da Hình 1.1 Chu trình máy lạnh hấp thụ một cấp cơ bản Tất cả các đặc tính nhiệt động được tính dựa trên phương trình trạng thái của hỗn hợp. Họ đã cho thấy hệ số hiệu quả của chu trình tăng khi nhiệt độ bộ phát sinh hoặc nhiệt độ bộ ngưng tụ giảm. Hệ thống nhanh chóng đạt được trạng thái ổn định từ các thông số hoạt động cụ thé.

Su tang ap suất bơm sẽ tăng hoạt động của hệ thống. Tốc độ dòng chảy, công suất nhiệt và COP cũng được quan sát trước khi đạt trạng thái cân bằng. Mathew Aneke và cộng sự [13] thực hiện thiết kế truyền động và so sánh hiệu suất của hai hệ thống lạnh khác nhau (Hệ thống 1: Nhiệt thải được cấp cho chu trình Rankine để sinh công nhằm quay máy nén của chu trình máy lạnh có máy nén hơi. Hệ thống 2: Nhiệt thải được cấp trực tiếp cho máy lạnh hấp thụ NH:-H›O).

Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống 1 có COP cao hơn hệ thống 2. Muammer Ozgoren và cộng sự [14] nghiên cứu khả năng sử dụng máy lạnh hấp thụ NH:-HaO một cấp được cấp nhiệt bằng năng lượng mặt trời ở tỉnh A dana phía nam Thổ Nhỉ Kỳ. COP làm mát thay đổi liên tục từ 0,243 + 0,454. COP gia nhiệt thay đôi từ 1,243 + 1,454.

COP cực đại xuất hiện vào buổi sáng và cực tiêu xuất hiện vào buổi trưa. Chu trình lạnh hấp thụ chủ yếu sử dụng trong các máy lạnh công nghiệp lớn. Đối với những máy lạnh hấp thụ có công suất nhỏ thì cần thêm quá trình nghiên cứu từng bộ phận của chu trình lạnh hap thụ. Điều đó có thể giúp thiết kế các máy lạnh hấp thụ nhỏ gọn [15].

Đề phát triển máy lạnh hap thụ công suất nhỏ, nhiều nghiên cứu về Kỹ thuật ống-micro [5], [16], [17], [18], [19]. Ống-micro có thể sử dụng cho bình hấp thụ, bình phát sinh, bình ngưng tụ, bộ bay hơi, và cột chiết tách nước trong máy lạnh hấp thụ nguyên cụm có công suất nhỏ thì rất nhỏ gọn [16]. Vào năm 2000, Hammad và Habali [20] chế tạo một hộp thép có diện tích 0,6 zm x 0,3 m cao 0,5 m dung dé chứa vaccine cho những vùng sa mạc xa xôi không có mạng lưới điện quốc gia. Chu trình máy lạnh hấp thụ NHa-H›O vận hành bằng năng lượng mặt trời được thiết kế để g1ữ cho nhiệt độ trong hộp đạt theo yêu cầu.

Nhiệt độ môi trường khoảng 45 °C vào tháng 8. Tiến trình mô phỏng bằng máy tính được phát triển để nghiên cứu hiệu suất và đặc tính của chu trình lạnh. Máy lạnh hấp thụ được cấp nhiệt từ các bộ thu tập trung có thời gian hoạt động 7 giờ ban ngày. Nhiệt độ lưu chất ra khỏi bộ thu có thê lên đến 200 °C, COP đạt từ 0,5 + 0,65.

Khi nhiệt độ tối ưu đạt 120 °C thì COP đạt 0,65. Nồng độ khối lượng của dung dịch nạp là 25%. Hệ thống hoạt động suốt tháng 6 và 7 với 8 giờ hoạt động mỗi ngày từ 8 giờ sáng tới 4 giờ chiều. Romero [21] mô phỏng bình hấp thụ dạng bọt với 3 cặp lưu chất làm việc khác nhau NHa-H2O, NH:-LiNOa và NHa-NaSCN để phân tích hiệu suất bình hấp thụ dạng tắm.

Máy lạnh hấp thụ có công suất lạnh 1 kW. Nhiệt độ bình phát sinh tối thiêu thì dòng chất hấp thụ vào dung dịch NHa-HạO, NHa-LiNO¿ và NHa-NaSCN, lần lượt là 0,0086; 0,0058 và 0,0085 kg/(w. Đối với cặp lưu NH:-HzO, nhiệt độ bay hơi -5 °C, nhiệt độ hấp thụ, và nhiệt độ ngưng tụ được cố định ở 40 °C. Khi nhiệt độ hoạt động tối thiểu 115 °C, nồng độ và nhiệt độ dung dịch loãng vào bình hấp thụ lần lượt là 33,4% và 55,3 °C thì COP đạt 0,48.

Khi nhiệt độ hoạt động tối thiểu 120 °C, nồng độ và nhiệt độ dung dịch loãng vào bình hấp thụ lần lượt là 31,2% và 55,8 °C thì COP đạt 0,49. Al-Mansoori [22] phân tích hệ số hiệu COP, công suất của bộ phận trong hệ thống (bộ bay hơi, bình hấp thụ, bình ngưng tụ), nồng độ dung dịch đặc và loãng, lưu lượng của dung dịch loãng, và lưu lượng dòng hơi qua bộ bay hơi của máy lạnh hấp thu NH3-H20. Nong độ dung dịch đặc thực nghiệm là 36,8%. Gebreslassie, Marc Medrano, Filipe Mendes, Dieter Boer [23] tối ưu hóa diện tích truyền nhiệt của các bộ phận trong máy lạnh hấp thụ.

Máy lạnh hấp thụ này được ứng dụng để làm lạnh nước có công suất lạnh 5 &W. Nước cần làm lạnh chảy vào và ra bộ bay hơi lần lượt là 16 °C và 11 °C. Nước giải nhiệt vào và ra bình ngưng lần lượt là vào 40 °C va ra 49 °C; nhiệt độ dung dịch trong bình phát sinh 103,8 °C đến 110 °C; Nong độ dung dịch đặc là 46,3% và loãng là 41,4%. Nhiệt độ môi trường vào mùa hè là 30 °C.

COP co ban của máy là 0,56. Saravanan [24] nghiên cứu thực nghiệm máy lạnh hấp thu NH3-H20 truyền thống kết hợp thêm các bộ trao đổi nhiệt hấp thụ-phát sinh GAX (generator- absorber heat exchange) giải nhiệt bằng không khí. Máy lạnh có công suất lạnh 10,5 kW, có khả năng bay hơi ở -5 °C, nhiệt độ môi trường là 35 °C. Kết quả cho thấy nhiệt độ tại bình phát sinh và bộ bay hơi lần lượt là 120 °C và 2 °C, cho công suất lanh 1a 9,5 kW, COP là 0,57.

Bình hấp thụ dạng màng chảy được sử dụng trong hệ thống. Mathew Aneke, Brian Agnew, Chris Underwood, Matthew Menkiti [13] so sánh hiệu suất của chu trình Rankine ORC (Organic Rankine Cycle) nhận nhiệt từ nguồn nhiệt thải để vận hành máy lạnh nén hơi (hệ thống 1) với máy lạnh hấp thụ NH:-H2O vận hành bằng nguồn nhiệt thải để bảo quản thực phẩm (hệ thống 2). Cả hai hệ thống cần phải giảm nhiệt độ môi trường từ 25 °C xuống -18 °C. COP của hệ thống 1 và 2 lần lượt là 0,57 và 0,55.

Máy lạnh hấp thụ có nồng độ dung dịch loãng và đặc lần lượt là 19,68% và 28,24%; nhiệt độ dung dịch loãng ra và vao bình phát sinh lần lượt là 130 °C và 110 °Œ; nhiệt độ hơi vào và ra bộ bay hơi lần lượt là -20 °C va -0,08 °C. Brice Le Lostec*, Nicolas Galanis, Jocelyn Millette [11] nghiên cứu thực nghiệm hiệu suất của máy lạnh hấp thụ làm lạnh nước 10 kW. Nhiệt độ nguồn nhiệt là nước nóng từ 75 °C đếm 85 °C từ năng lượng mặt trời.