Chương 1 TỔNG QUAN 1. Sơ lược về lịch sử máy lạnh hấp phụ Lĩnh vực hấp phụ chất rắn làm lạnh bắt đầu từ khá sớm và đã có một thời gian ngắn thương mại hóa thành công, biến mất trong 60 năm trở lại đây và hiện đang trải qua thời kỳ phục hưng. Nghiên cứu khoa học đầu tiên về hấp phụ đã được Scheele và Fontana thực hiện vào năm 1773, nhưng sử dụng được nó để làm lạnh từ năm 1848 khi Michael Faraday đã chứng minh được một hệ thống sử dụng amoniac và AgCl làm cặp chất hấp phụ. Các sản phẩm thương mại đầu tiên là trong những năm đầu của thế kỷ XX.
Plank và Kuprianoff đã mô tả một hệ thống hấp phụ thực tế (tủ lạnh 'Eskimo' do Công ty Lạnh Amundsen của Na Uy sản xuất), sử dụng methanol và than hoạt tính. Năm 1929, Hulse đã đưa ra tủ lạnh sử dụng silicagel - SO2 làm cặp môi chất và đã đạt nhiệt độ bay hơi là −12℃ dùng để trữ thực phẩm trên các chuyến tàu. Vào năm 1930, làm lạnh sử dụng công nghệ máy nén cơ học nén hơi đã được phát triển một cách nhanh chóng và làm lạnh hấp phụ không còn có thể cạnh tranh với những hệ thống đó. Từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ những năm 1970, cho thấy việc tiết kiệm năng lượng hay sử dụng năng lượng hiệu quả đang quay lại quan tâm tới các hệ thống hấp phụ cho tiềm năng tiết kiệm năng lượng.
Các hệ thống hấp phụ có xu hướng sử dụng chất làm lạnh thân thiện với môi trường (được gọi là môi chất tự nhiên) thay vì các chất CFC hoặc HFC. Vì vậy đây cũng là một sự chuyển hướng đối với các chất làm lạnh tự nhiên như amoniac và CO2 trong máy lạnh nén hơi. Tuy nhiên, vì các chu trình hấp phụ được điều khiển bởi nhiệt chứ không phải công. Nhiệt ở đây bao gồm việc sử dụng nhiệt thải (ví dụ như đốt nhiên liệu để sản xuất điện, gia nhiệt hoặc làm mát), làm mát bằng năng lượng mặt trời, bơm nhiệt chạy bằng khí đốt, hoặc thiết bị điều hòa không khí,.
Trang 1 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ Sự trở lại của hệ thống làm lạnh hấp phụ được quan tâm là vào cuối những năm 1970 khi Meunier bắt đầu nghiên cứu trên các cặp chất thích hợp để sử dụng cho các tủ lạnh năng lượng mặt trời hoặc để duy trì dây chuyền làm lạnh vắc xin hoặc để lưu trữ lương thực ở các nước đang phát triển. Những nhà khoa học sớm khác trong cùng lĩnh vực áp dụng là Worsøe-Scmidt và Tchernev. Sự quan tâm tăng nhanh trong những năm 1980 với một hội nghị lớn của châu Âu vào năm 1988 có khoảng 50 bài báo. Ngoài ra còn có hệ thống làm lạnh hấp phụ trên thị trường, đặc biệt là từ Mycom và Nishiyodo tại Nhật Bản và D.Y ở Trung Quốc và các sản phẩm khác đang được phát triển bởi các công ty như Vaillant ở Đức.
Tổng quan nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu trong nước Ngày nay năng lượng mặt trời đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ nhu cầu sinh hoạt cho đến sản xuất như: sản xuất điện, kỹ thuật lạnh, vận tải, cung cấp nước nóng trong sinh hoạt, công nghệ sấy… Theo tài liệu [1] so với các ứng dụng khác của năng lượng mặt trời, việc sử dụng năng lượng mặt trời vào mục đích làm lạnh rất thu hút vì có sự đồng biến giữa cường độ bức xạ mặt trời và nhu cầu sử dụng lạnh. Ở nơi càng nóng, cường độ bức xạ mặt trời dồi dào thì nhu cầu làm lạnh càng lớn. Tuy nhiên, do hiện nay chưa giải quyết tốt các vấn đề về giá thành và hiệu quả mang lại, do đó máy lạnh sử dụng năng lượng mặt trời vẫn chưa được ứng dụng nhiều trong thực tế.
Việc nghiên cứu tìm ra mô hình máy lạnh sử dụng năng lượng mặt trời dùng trong dân dụng như làm ra đá lạnh (tích trữ lạnh), bảo quản vắc xin, thực phẩm tại vùng sâu, vùng xa, nơi không có lưới điện là nhu cầu cần thiết và khả thi nhất là các nước có điều kiện tự nhiên thuận lợi như Việt Nam. Hoàng An Quốc và cộng sự [3] đã trình bày kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm mô hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng Zeolite - nước, thiết bị này có thể sử dụng cho các mục đích khác nhau như bảo quản rau quả, thực phẩm hay điều hòa không khí… Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời đạt được chỉ nằm trong khoảng ht =5,3 - 6,9% và hiệu suất làm lạnh của máy Trang 2 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ cũng đạt được giá trị hl = 4,02 - 6,02%. Tuy cường độ bức xạ tương đối thấp nhưng hệ thống vẫn đạt được hiệu quả, điều đó có nghĩa máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng Zeolite - Nước cũng có thể ứng dụng được nếu được nghiên cứu cải tiến và tiến hành vào thời điểm có cường độ bức xạ cao hơn. Mô hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng Zeolite - nước.
Về ưu điểm: Mô hình chế tạo đơn giản, dễ vận hành. Kinh phí chế tạo không cao. Hệ số sử dụng ít van, do đó việc duy trì chân không trong hệ thống được thuận lợi hơn. Nhược điểm: Dàn ngưng được chế tạo bằng inox nên việc trao đổi nhiệt với môi trường khó khăn hơn.
Ảnh hưởng của tốc độ gió đến quá trình hấp phụ môi chất lạnh là yếu tố cần được xem xét. Tốc độ gió làm khả năng luân chuyển không khí kém do đó cần bố trí hệ thống ở những nơi thông thoáng và có gió. Bằng những cơ sở lý thuyết hấp phụ, lý thuyết năng lượng mặt trời, Hoàng Dương Hùng [4] đã thiết kế chế tạo mẫu máy lạnh hấp phụ với cặp môi chất than hoạt tính và methanol làm lạnh nước từ nhiệt độ môi trường xuống −15℃ để sản xuất nước đá với COP đạt 0,151 phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam. Trang 3 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 1.
Máy lạnh hấp phụ sử dụng cặp môi chất than hoạt tính và Methanol sản xuất nước đá. Ưu điểm: Hệ thống đơn giản, dễ vận hành sửa chữa. Hệ thống sử dụng rất ít van. Do đó việc duy trì chân không trong hệ thống thuận lợi hơn.
Nhược điểm: Dàn ngưng tự chế tạo, việc kết nối dàn ngưng với bộ hấp phụ có nhiều mối hàn nên việc giữ chân không không thuận lợi. Cách bố trí tấm cách nhiệt phía đáy bộ hấp phụ làm cho bộ hấp phụ khó giải nhiệt ra môi trường xung quanh Ảnh hưởng của tốc độ gió đến quá trình hấp phụ môi chất lạnh là yếu tố cần được xem xét. Tốc độ gió làm khả năng luân chuyển không khí kém do đó cần bố trí hệ thống ở những nơi thông thoáng và có gió. Ngoài ra còn có một số đề tài luận văn thạc sĩ của các tác giả Nguyễn Ngọc Trí [5] có luận văn: 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 Trang 4 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 1.
Máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng cặp môi chất than hoạt tính – methanol Lê Vinh Phát [6] có luận văn: Nghiên cứu xây dựng mô hình thí nghiệm máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng than hoạt tính – methanol Hình 1. Mô hình máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng cặp môi chất than hoạt tính - methanol 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Askalany và cộng sự [7] đưa ra một bài đánh giá về hệ thống làm lạnh hấp phụ với các cặp hấp phụ của than hoạt tính với amoniac, methanol, ethanol, hydro, nitơ và diethyl ete và dựa trên sự phù hợp của than hoạt tính (Maxsorb III) với R134a, Trang 5 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ R507A, n-butane và CO2. Tổng quan của họ cho thấy khả năng hấp phụ tối đa của cặp than hoạt tính/hydrogen là 0,055 g/g ở 30℃ và 6 bar; đối với cặp sợi than hoạt tính/nitơ là 0,75 g/g ở −4℃; đối với cặp than hoạt tính/diethyl ether là 0,00139 g/g ở 50℃ và 0,1 bar; đối với cặp than hoạt tính/R134a là 2 g/g ở 30℃ và 8 bar, đối với cặp than hoạt tính/R507a là 1,3 g/g ở 20℃; đối với cặp than hoạt tính/n-butan là 0,8 g/g ở 35℃ và 2,3 bar và đối với cặp than hoạt tính/CO2 là 0,08 g/g tại 30℃ và 1 bar.
Askalany và cộng sự [8] đã tiến hành một nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính hấp phụ và giải hấp của cặp than hoạt tính / R134a. Trên tất cả các thí nghiệm, nhiệt độ của cặp môi chất được giữ ở khoảng 25 °C. Kết quả thí nghiệm cho thấy việc gia tăng nhiệt độ của chất hấp phụ dẫn đến giảm tối đa khả năng hấp phụ cho đến khi đạt được 0,53 kg R134a / kg than ở 60 °C trong thời gian 450 giây. Khả năng hấp phụ tối đa được tìm thấy là 1,68 kg R134a / kg than ở 25 °C sau 1000 giây.
Tác giả cũng kết luận rằng than hoạt tính dạng hạt và R134a có thể được sử dụng như một cặp hấp phụ trong một hệ thống lạnh hấp phụ. Tác giả đã so sánh nhiều cặp môi chất hấp phụ với nhau và đã thấy rằng khả năng hấp phụ của cặp môi chất than hoạt tính – R134a là cao nhất trong số các cặp chất khác là 2g/g và áp suất là 8 bar ở 20℃ với thời điểm hiện tại. Ngoài ra tác giả cũng đã sử dụng than hoạt tính dạng hạt và R134a để thực nghiệm với 4 nhiệt độ khác nhau là 25°C , 35°C , 45°C , 60°C và đã tìm được khả năng hấp phụ tối đa của cặp môi chất này là 1,68kg/kg ở nhiệt độ 25°C sau 1050 giây. Ưu điểm: Mô hình cấu tạo đơn giản, dễ vận hành Sử dụng ít van nên sự rò rỉ trong hệ thống ít hơn Nhược điểm: Không biết được môi chất trong hệ thống đã giải hấp/hấp phụ hết chưa nhằm chuyển quá trình khi quá trình trước kết thúc.
Chưa trình bày được lượng nhiệt cấp vào và lượng nhiệt thu được từ đó đưa ra hiệu suất của hệ thống. Trang 6 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ Banker và cộng sự [9] đã nêu ra nhiều ưu điểm của hệ thống sử dụng môi chất R134a là nó vận hành trên áp suất khí quyển. Điều này phải bảo đảm rằng hệ thống hoạt động với sự rò rỉ là rất nhỏ. Họ cũng phân tích chu trình nhiệt động của hệ thống lạnh hấp phụ 2 cấp nén với cặp môi chất than hoạt tính - R134a.