Tổng quan nghiên cứu

Máy lạnh hấp phụ là một công nghệ làm lạnh sử dụng nhiệt năng thay vì điện năng, có tiềm năng lớn trong việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Theo ước tính, các hệ thống làm lạnh hấp phụ có thể vận hành hiệu quả với nguồn nhiệt thấp từ 70 đến 90℃, phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới như Việt Nam. Đề tài nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình máy lạnh hấp phụ sử dụng cặp môi chất than hoạt tính - R134a nhằm làm lạnh 2 lít nước từ 25℃ xuống 10℃ trong vòng 1800 giây, với nguồn nhiệt cấp thấp 90℃ và áp suất trong khoảng 3 - 6 bar.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc khai thác hiệu quả của cặp môi chất than hoạt tính - R134a trong máy lạnh hấp phụ kiểu gián đoạn, nhằm giải quyết các hạn chế về năng lượng và môi trường của các hệ thống làm lạnh truyền thống. Mục tiêu cụ thể là thiết kế, chế tạo mô hình thực nghiệm và đánh giá hiệu suất làm lạnh, đồng thời phân tích các thông số ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của hệ thống.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế mô hình máy lạnh hấp phụ tại Việt Nam, với điều kiện nhiệt độ gia nhiệt 90℃, nhiệt độ nước làm mát 25℃, và thời gian vận hành 1800 giây. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển công nghệ làm lạnh thân thiện môi trường, giảm tiêu thụ điện năng và sử dụng nguồn nhiệt tái tạo hoặc nhiệt thải công nghiệp, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và bảo vệ tầng ozon.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình hấp phụ vật lý và hóa học, bao gồm:

  • Chu trình hấp phụ môi chất lạnh cơ bản: Chu trình gồm bốn bước chính là gia nhiệt và tăng áp, giải hấp và ngưng tụ, làm mát và giảm áp, hấp phụ và bay hơi. Chu trình này không sử dụng cơ năng mà vận hành bằng nhiệt năng, giúp loại bỏ nhu cầu điện năng cho máy nén cơ học.

  • Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt: Các phương trình Langmuir, Toth và Dubinin-Astakhov (D-A) được sử dụng để mô tả sự cân bằng hấp phụ giữa than hoạt tính và R134a. Phương trình D-A đặc biệt phù hợp với than hoạt tính do tính không đồng nhất bề mặt và cấu trúc vi lỗ xốp.

  • Thông số ảnh hưởng đến hệ số làm lạnh (COP): Bao gồm thời gian chuyển đổi, thời gian chu trình, nhiệt độ hoạt động, và đặc tính của cặp môi chất. Nhiệt độ gia nhiệt cao và nhiệt độ làm mát thấp giúp tăng hiệu suất hấp phụ và giải hấp, từ đó nâng cao COP.

  • Đặc tính vật liệu hấp phụ và môi chất lạnh: Than hoạt tính gáo dừa được chọn do có diện tích bề mặt lớn (~3140 m²/g), cấu trúc microporous phù hợp, độ cứng cao và khả năng hấp phụ tốt. Môi chất R134a có nhiệt độ sôi -26,1℃, nhiệt ẩn hóa hơi 217,2 kJ/kg, và khả năng hấp phụ lên đến 2 g R134a trên 1 g than hoạt tính, vượt trội so với các cặp môi chất khác.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Tổng hợp từ các nghiên cứu quốc tế và trong nước, dữ liệu thực nghiệm về đặc tính hấp phụ của than hoạt tính - R134a, các thông số nhiệt động học và vật lý của môi chất và chất hấp phụ.

  • Phương pháp phân tích: Kết hợp lý thuyết hấp phụ với mô hình hóa chu trình hấp phụ gián đoạn, sử dụng phương trình đẳng nhiệt Dubinin-Astakhov để dự đoán khả năng hấp phụ. Thực nghiệm được tiến hành trên mô hình chế tạo với kích thước và cấu trúc thiết bị được tính toán chi tiết.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thực nghiệm được thiết kế để làm lạnh 2 lít nước, với than hoạt tính gáo dừa kích thước hạt 4-8 mech làm chất hấp phụ. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng 1800 giây cho mỗi chu trình.

  • Timeline nghiên cứu: Bao gồm giai đoạn thiết kế, chế tạo mô hình, lắp đặt thiết bị đo áp suất và nhiệt độ, tiến hành thực nghiệm và phân tích kết quả so sánh với mô hình lý thuyết.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng làm lạnh của mô hình: Mô hình máy lạnh hấp phụ đã làm lạnh thành công 2 lít nước từ 25℃ xuống 10℃ trong 1800 giây, chứng minh tính khả thi của cặp môi chất than hoạt tính - R134a trong điều kiện nhiệt độ gia nhiệt 90℃ và áp suất 3-6 bar.

  2. Khả năng hấp phụ tối đa: Thí nghiệm cho thấy khả năng hấp phụ tối đa của R134a trên than hoạt tính đạt khoảng 1,68 kg/kg ở 25℃ sau 1050 giây, phù hợp với các kết quả nghiên cứu quốc tế. Khả năng hấp phụ giảm khi nhiệt độ tăng lên 60℃, chỉ còn 0,53 kg/kg.

  3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian: Nhiệt độ gia nhiệt cao giúp tăng hiệu suất giải hấp, trong khi nhiệt độ nước làm mát thấp giúp tăng hiệu quả hấp phụ. Thời gian chuyển đổi và chu trình ảnh hưởng đến COP, với thời gian chu trình tối ưu giúp cân bằng giữa công suất làm lạnh và hiệu suất năng lượng.

  4. So sánh với các cặp môi chất khác: Cặp than hoạt tính - R134a có khả năng hấp phụ cao hơn so với than hoạt tính - methanol hoặc ethanol, đồng thời mô hình có cấu tạo đơn giản, ít van nên giảm rò rỉ và dễ duy trì chân không.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm khẳng định rằng than hoạt tính gáo dừa là chất hấp phụ hiệu quả nhờ diện tích bề mặt lớn và cấu trúc vi lỗ phù hợp, giúp tăng khả năng hấp phụ R134a. Việc sử dụng R134a làm môi chất lạnh mang lại ưu điểm về áp suất vận hành gần khí quyển, giảm nguy cơ rò rỉ và dễ dàng kiểm soát chu trình.

So với các nghiên cứu trước đây, mô hình này đạt hiệu suất làm lạnh tương đương hoặc cao hơn trong điều kiện nhiệt độ gia nhiệt thấp, phù hợp với nguồn nhiệt thải hoặc năng lượng mặt trời. Biểu đồ mối quan hệ giữa thời gian và áp suất bay hơi, nhiệt độ bay hơi cho thấy sự ổn định của chu trình hấp phụ trong khoảng thời gian vận hành.

Tuy nhiên, hạn chế của mô hình là chưa có thiết bị đo chính xác lượng nhiệt cấp vào và thu được, nên chưa thể tính toán hiệu suất tổng thể (COP) một cách đầy đủ. Ngoài ra, việc duy trì chân không và kiểm soát thời gian chuyển đổi cần được cải tiến để tối ưu hóa hiệu suất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế bộ hấp phụ: Cải tiến kích thước và cấu trúc bình hấp phụ để tăng diện tích tiếp xúc và giảm nhiệt độ giải hấp, nhằm nâng cao khả năng hấp phụ và hiệu suất làm lạnh. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu kỹ thuật nhiệt.

  2. Trang bị hệ thống đo lường nhiệt lượng chính xác: Lắp đặt cảm biến nhiệt và thiết bị đo lưu lượng để xác định chính xác lượng nhiệt cấp vào và nhiệt lượng làm lạnh thu được, phục vụ đánh giá hiệu suất COP. Thời gian: 3-6 tháng, chủ thể: phòng thí nghiệm và kỹ thuật viên.

  3. Nghiên cứu điều khiển thời gian chuyển đổi và chu trình: Phát triển hệ thống điều khiển tự động van áp lực hoặc van thời gian để tối ưu hóa chu trình hấp phụ, giảm tổn thất áp suất và tăng công suất làm lạnh. Thời gian: 6 tháng, chủ thể: kỹ sư điều khiển và nhóm nghiên cứu.

  4. Mở rộng ứng dụng mô hình: Thử nghiệm mô hình trong các điều kiện thực tế như bảo quản thực phẩm, làm lạnh vaccine tại vùng sâu vùng xa, sử dụng nguồn nhiệt thải công nghiệp hoặc năng lượng mặt trời. Thời gian: 12 tháng, chủ thể: các đơn vị y tế, nông nghiệp và công nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt: Nắm bắt kiến thức về công nghệ làm lạnh hấp phụ, phương pháp thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm, cũng như các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt.

  2. Kỹ sư thiết kế hệ thống lạnh và điều hòa không khí: Áp dụng các kết quả nghiên cứu để phát triển hệ thống làm lạnh tiết kiệm năng lượng, thân thiện môi trường, đặc biệt trong các ứng dụng sử dụng nguồn nhiệt thấp.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị lạnh và năng lượng tái tạo: Tham khảo để cải tiến sản phẩm máy lạnh hấp phụ, tận dụng nguồn nhiệt thải và năng lượng mặt trời, giảm chi phí vận hành và tăng tính cạnh tranh.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng, môi trường: Đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ làm lạnh hấp phụ trong chiến lược tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy lạnh hấp phụ hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
    Máy lạnh hấp phụ sử dụng nhiệt năng để làm nóng chất hấp phụ, giải hấp môi chất lạnh, sau đó làm mát để hấp phụ lại môi chất, tạo ra hiệu ứng làm lạnh. Chu trình gồm gia nhiệt, giải hấp, ngưng tụ, làm mát và hấp phụ.

  2. Tại sao chọn than hoạt tính và R134a làm cặp môi chất?
    Than hoạt tính có diện tích bề mặt lớn, cấu trúc vi lỗ phù hợp, khả năng hấp phụ cao. R134a có áp suất vận hành gần khí quyển, nhiệt độ sôi phù hợp và khả năng hấp phụ lên đến 2 g/g, vượt trội so với các môi chất khác.

  3. Hiệu suất làm lạnh của mô hình đạt được là bao nhiêu?
    Mô hình làm lạnh 2 lít nước từ 25℃ xuống 10℃ trong 1800 giây với nguồn nhiệt 90℃. Khả năng hấp phụ tối đa đạt 1,68 kg/kg ở 25℃, tuy nhiên hiệu suất COP chưa được đo chính xác do thiếu thiết bị đo nhiệt lượng.

  4. Những yếu tố nào ảnh hưởng đến hiệu suất máy lạnh hấp phụ?
    Nhiệt độ gia nhiệt, nhiệt độ làm mát, thời gian chuyển đổi, thời gian chu trình, đặc tính vật liệu hấp phụ và môi chất lạnh đều ảnh hưởng đến hiệu suất làm lạnh và COP của hệ thống.

  5. Ứng dụng thực tế của máy lạnh hấp phụ là gì?
    Máy lạnh hấp phụ phù hợp cho làm lạnh bảo quản thực phẩm, vaccine tại vùng không có điện, sản xuất nước đá sử dụng năng lượng mặt trời hoặc nhiệt thải công nghiệp, góp phần tiết kiệm điện và bảo vệ môi trường.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy lạnh hấp phụ kiểu gián đoạn sử dụng cặp môi chất than hoạt tính - R134a, làm lạnh 2 lít nước từ 25℃ xuống 10℃ trong 1800 giây.
  • Khả năng hấp phụ tối đa của R134a trên than hoạt tính đạt khoảng 1,68 kg/kg ở 25℃, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế.
  • Nhiệt độ gia nhiệt và nhiệt độ làm mát là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất làm lạnh và COP của hệ thống.
  • Mô hình có cấu tạo đơn giản, sử dụng ít van, thuận lợi cho việc duy trì chân không và giảm rò rỉ môi chất.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa thiết kế, trang bị thiết bị đo lường và mở rộng ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực bảo quản và làm lạnh sử dụng nguồn nhiệt tái tạo.

Tiếp theo, cần triển khai các nghiên cứu cải tiến thiết kế bộ hấp phụ, phát triển hệ thống điều khiển tự động và thực nghiệm trong điều kiện thực tế để nâng cao hiệu suất và tính ứng dụng của công nghệ. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm phối hợp để phát triển công nghệ làm lạnh hấp phụ thân thiện môi trường, góp phần giải quyết bài toán năng lượng và bảo vệ khí hậu toàn cầu.