Đặt vấn đề Có thể nói hiện nay máy lạnh có máy nén hơi đang độc chiếm thị trường máy lạnh ở Việt Nam và một số nước khác. Bên cạnh những ưu điểm nổi bật thì máy lạnh có máy nén hơi cũng tồn tại những nhược điểm lớn đó là tiêu tốn nhiều điện năng, chỉ làm việc được với điện năng và sử dụng môi chất lạnh không thân thiện với môi trường. Ngày nay khi khoa học phát triển đã cho ra đời các môi chất lạnh có mức độ ảnh hưởng đến môi trường không nhiều. Tuy nhiên ở Việt Nam việc ứng dụng các môi chất này vào thực tiễn còn rất hạn chế.
Máy lạnh hấp thụ ra đời từ rất lâu, tuy nhiên ưu điểm của máy lạnh này đã bị lãng quên trong một thời gian dài cho đến khi vấn đề môi trường và biến đổi khí hậu được đề cao thì máy lạnh hấp thụ đang được chú ý trở lại. Hiện nay máy lạnh hấp thụ đã và đang thay thế vai trò của máy lạnh có máy nén hơi ở các nước phát triển như: Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc, Nga,… Ưu điểm của máy lạnh hấp thụ là không làm việc bằng điện năng mà làm việc với nhiệt năng và sử dụng môi chất lạnh thân thiện với môi trường. Nguồn nhiệt sử dụng cho máy lạnh hấp thụ có thể là nguồn nhiệt thải trong công nghiệp, nhiên liệu hóa thạch, phụ phẩm nông nghiệp hoặc năng lượng mặt trời. Nước đá là một sản phẩm không thể thiếu trong đời sống hiện đại, hiện nay toàn bộ nước đá ở nước ta được sản xuất bằng máy lạnh có máy nén hơi.
Thời gian làm đá cây 50kg hiện nay là trên 20 giờ/mẻ, với thời gian này hệ thống máy lạnh có máy nén hơi tiêu thụ một lượng điện năng là không nhỏ. Do đó ở những khu vực không có lưới điện thì việc sản xuất nước đá bằng máy lạnh có máy nén hơi là rất khó khăn. Làm lạnh bằng máy lạnh hấp thụ là một phương pháp được biết đến từ rất lâu. Tuy nhiên những ưu điểm của máy lạnh có máy nén hơi đã làm cho con người quên lãng kỹ thuật này, cho đến khi con người thấy được tác hại đến môi trường của máy lạnh có máy nén hơi thì máy lạnh hấp thụ là một lựa chọn ưu tiên hiện nay ở các nước đang phát triển.
Ở nước ta hiện nay thì máy lạnh hấp thụ vẫn còn rất xa lạ. Tuy nhiên trong những năm gần đây thì máy lạnh hấp thụ cũng đang được sự quan tâm trở lại. Năm 2004 Trần Thanh Kỳ [1] đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công hệ thống máy 4 lạnh hấp thụ NH3-H2O để sản xuất nước đá có năng suất là 3,2 tấn đá/ngày. Nhiên liệu sử dụng là các loại nhiên liệu rẻ tiền như: than cám, trấu và mùn cưa.
Kết quả nghiên cứu cho thấy giá thành sản xuất 1kg đá dao động trong khoảng từ 86,1-95,8 đồng. Năm 2006 Võ Kiến Quốc và Lê Chí Hiệp [2] đã nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm máy lạnh hấp thụ NH3-H2O loại gián đoạn cấp nhiệt bằng collector mặt trời dạng ống cánh để sản xuất nước đá. Kết quả nghiên cứu cho thấy năng suất trung bình của hệ thống khoảng từ 1,6-2,5kg đá/m2 collector/ngày. Nồng độ dung dịch đậm đặc tối ưu trong khoảng từ 46% đến 48% và nồng độ dung dịch loãng từ 36% đến 39%.
Trong thời đại vấn đề môi trường đang được sự quan tâm hàng đầu thì việc nghiên cứu ứng dụng máy lạnh hấp thụ ở nước ta là một việc làm cần thiết. Việc ứng dụng máy lạnh hấp thụ sẽ giải quyết được vấn đề thiếu điện và vấn đề ô nhiễm môi trường mà nước ta đang phải đối mặt. Việt Nam là một nước có nền nông nghiệp phát triển cho nên lượng phụ phẩm nông nghiệp rất lớn, điển hình là trấu. Tuy nhiên lượng phụ phẩm nông nghiệp này lại đang thừa một số lượng rất lớn vừa gây lãng phí vừa ảnh hưởng đến môi trường.
Với mục đích bảo vệ môi trường và đẩy mạnh việc sử dụng các phụ phẩm nông nghiệp, trong nghiên cứu này tác giả sẽ trình bày phương pháp nghiên cứu lý thuyết hệ thống máy lạnh hấp thụ NH3-H2O loại gián đoạn sử dụng trấu để sản xuất nước đá cho các tỉnh Đồng Bằng Sông Cửu Long. Tổng quát về máy hấp thụ NH3-H2O 2.1 Sự khác biệt giữa máy lạnh hấp thụ và máy lạnh có máy nén hơi So với máy lạnh có máy nén hơi thì máy lạnh hấp thụ có 2 khác biệt lớn nhất sau đây: - Năng lượng cấp vào cho máy lạnh hấp thụ là nhiệt năng, năng lượng cấp vào cho máy lạnh có máy nén hơi là cơ năng - Môi chất làm việc trong máy lạnh hấp thụ là dung dịch của 2 chất thuần khiết có nhiệt độ sôi cách biệt nhau lớn ở cùng điều kiện áp suất. Môi chất làm việc trong máy lạnh có máy nén hơi thường là 1 chất thuần khiết hoặc hỗn hợp đồng sôi.Môi chất làm việc trong chu trình máy lạnh hấp thụ là một dung dịch, trong đó một chất có nhiệt độ bay hơi thấp gọi là tác nhân lạnh và một chất có nhiệt độ bay hơi cao gọi là 5 chất hấp thụ. Trong thực tế hiện nay các cặp môi chất được sử dụng rộng rãi là NH3- H2O và LiBr-H2O 2.2 Dung dịch làm việc Cặp môi chất NH3-H2O được sử dụng để làm lạnh đến nhiệt độ âm hoặc dương cho nên cặp môi chất này thường được dùng trong kỹ thuật đông lạnh.
Đối với cặp môi chất LiBr-H2O chỉ có thể làm lạnh ở nhiệt độ dương nên cặp môi chất này được sử dụng trong kỹ thuật điều hòa không khí. Hiệu suất của hệ thống MLHT phụ thuộc rất nhiều vào tính chất hóa học và nhiệt động của cặp dung dịch làm việc bên trong. Dung dịch làm việc trong MLHT là hỗn hợp của 2 chất thuần khiết khác nhau, có nhiệt độ sôi khá cách biệt ở cùng điều kiện áp suất và không phản ứng hóa học với nhau, không độc hại và không gây nổ. Đối với tác nhân lạnh thì phải có ẩn nhiệt hóa hơi lớn.
Theo định lý Carnot thì hiệu suất của chu trình thuận nghịch không phụ thuộc vào chất môi giới làm việc trong chu trình mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh. Tuy nhiên chu trình thực tế không phải là thuận nghịch cho nên hiệu quả của chu trình MLHT phụ thuộc rất nhiều vào chất môi giới trong chu trình. Có nhiều cặp tác nhân có thể sử dụng cho MLHT. Theo kết quả của các nhà nghiên cứu trước đây thì có đến 40 loại tác nhân lạnh và 200 loại chất hấp thụ có thể được sử dụng trong MLHT.
Tuy nhiên trong thực tế hai cặp dung dịch NH3-H2O và H2O-LiBr được sử dụng rất phổ biến. Trong cặp dung dịch làm việc chất đứng trước là môi chất lạnh, chất đứng sau là chất hấp thụ. Do tính chất nhiệt động của tác nhân lạnh người ta dùng cặp dung dịch NH3-H2O cho ứng dụng làm lạnh sâu có thể đến - 77oC còn cặp dung dịch H2O-LiBr được dùng để làm lạnh trong kỹ thuật điều hòa không khí. Dung dịch làm việc trong MLHT đã được chứng minh là hoàn toàn không gây ra bất kỳ vấn đề gì ảnh hưởng đến môi trường.
Điểm đặc biệt của cặp dung dịch H2O- LiBr là áp suất làm việc khá thấp. Do H2O đóng vai trò là tác nhân lạnh nên để hơi nước bay hơi ở nhiệt độ thấp thì áp suất làm việc phải rất thấp. Đối cặp dung dịch NH3-H2O thì áp suất làm việc ở trên áp suất khí quyển cho nên cần phải chú ý đến vấn đề rò rỉ tác nhân NH3 ra môi trường. Một vấn đề khác cần phải quan tâm đối với cặp 6 môi chất NH3-H2O là hơi NH3 bay ra thường có lẫn theo một ít hơi nước.
Nhiệt độ làm việc càng cao thì nồng độ hơi NH3 bay ra càng giảm, do đó cần phải có thêm bộ phận tinh luyện hơi NH3 bay ra để không làm giảm năng suất lạnh do hơi nước gây ra. Và cuối cùng là tính chất ăn mòn của tác nhân NH3 đối với đồng cho nên kim loại chế tạo phải sử dụng là thép. Đối với cặp dung dịch H2O-LiBr thì LiBr rất khó bị cuốn theo hơi nước do nhiệt độ sôi của LiBr và nước rất xa nhau ở cùng điều kiện áp suất. So với cặp dung dịch H2O-LiBr thì cặp dung dịch NH3-H2O có những nhược điểm sau đây: - Hệ số COP của cặp dung dịch NH3-H2O thấp hơn cặp dung dịch H2O-LiBr - Nhiệt độ nguồn nhiệt cấp cho bình phát sinh cao hơn cặp dung dịch H2O-LiBr - Áp suất ngưng tụ cao hơn do đó tiêu tốn công bơm lớn hơn - Hơi nước dễ bị bay theo NH3 khi ra khỏi bình phát sinh - Nguy hiểm hơn do NH3 có thể gây ngộ độc.3 Ưu điểm của MLHT - Phương pháp nén tác nhân lạnh: Trong máy lạnh có máy nén hơi tác nhân lạnh được nén từ áp suất thấp lên áp suất cao bằng máy nén.
Ngoài ra máy nén trong hệ thống lạnh có máy nén hơi còn có nhiệm vụ tạo ra sự tuần hoàn của tác nhân lạnh trong hệ thống. Máy nén làm việc với tác nhân lạnh ở trạng thái hơi mà hơi có thể tích riêng lớn cho nên công tiêu hao cấp vào cho máy nén là rất lớn. Một vấn đề khác là kích thước máy nén càng lớn khi công suất càng tăng do đó điện năng tiêu hao cho máy nén cũng sẽ tăng theo. Trong MLHT không cần dùng đến máy nén mà chức năng của máy nén được thay thế bằng bình phát sinh, bình hấp thụ và bơm.
Tác nhân lạnh sau khi bay hơi sẽ được chất hấp thụ để trở thành trạng thái lỏng để làm giảm thể tích riêng cho nên công cấp vào cho bơm rất nhỏ và không thay đổi nhiều khi năng suất tăng. - Dạng năng lượng sử dụng: Năng lượng sử dụng trong MLHT chủ yếu là năng lượng nhiệt. Đây là ưu điểm nổi bật của MLHT so với máy lạnh có máy nén hơi. Năng lượng cấp vào cho MLHT có thể là nhiệt thải từ các quy trình công nghệ trong công nghiệp, hơi nước từ các lò hơi, năng lượng mặt trời, khí đốt, nhiên liệu hóa thạch, phụ phẩm nông nghiệp,… Năng lượng sử dụng là năng 7 lượng nhiệt cho nên góp phần giảm tải cho hệ thống điện và có thể sử dụng được ở những khu vực không có điện lưới quốc gia - Chi phí vận hành: Máy lạnh có máy nén hơi chỉ vận hành được với điện năng và nó phụ thuộc nhiều vào điện.
Hiện nay giá điện là rất đắt đỏ do đó chi phí vận hành cho máy lạnh có máy nén hơi là rất lớn.
