Luận văn thạc sĩ về ứng dụng MATLAB trong tính toán máy lạnh hấp thụ NH3-H2O

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng matlab trong việc xây dựng phần mềm tính toán máy lạnh hấp thụ sử dụng nhiệt thải, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp

• Tác giả: Trần Thị Ngọc Liên
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng An Quốc
• Trường học: Luận văn thạc sĩ
• Chuyên ngành: Nhiệt điện lạnh
• Đề tài: Ứng dụng Matlab để xây dựng phần mềm tính toán MLHT NH3-H2O sử dụng nhiệt thải.
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Nhu cầu sử dụng MLHT sử dụng nhiệt thải ở Việt Nam trong tương lai
• 1.2. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu
• 1.2.1. Mục tiêu luận văn
• 1.2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.2.3. Giới hạn đề tài
• 1.3. Tổng quan về máy lạnh hấp thụ sử dụng nhiệt thải
• 1.3.1. Hệ thống lạnh hấp thụ đơn giản
• 1.3.2. Hệ thống lạnh hấp thụ thực tế
• 1.3.3. Ưu, nhược điểm của hệ thống lạnh hấp thụ sử dụng nhiệt thải
• 1.3.3.1. Ưu điểm
• 1.3.3.2. Nhược điểm
• 1.3.4. So sánh giữa hệ thống lạnh hấp thụ sử dụng nhiệt thải và hệ thống lạnh sử dụng máy nén
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MÁY LẠNH HẤP THỤ NH3 – H2O
• 2.1. Nguyên lý làm việc cơ bản của MLHT NH3-H2O
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về phần mềm tính toán máy lạnh hấp thụ NH3 H2O sử dụng MATLAB

Phần mềm tính toán máy lạnh hấp thụ NH3-H2O sử dụng MATLAB đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc tối ưu hóa thiết kế và vận hành hệ thống lạnh. Việc ứng dụng MATLAB giúp các kỹ sư và nhà nghiên cứu có thể mô phỏng và phân tích hiệu suất của hệ thống lạnh hấp thụ một cách chính xác và hiệu quả. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao độ tin cậy của các kết quả tính toán.

1.1. Giới thiệu về máy lạnh hấp thụ NH3 H2O

Máy lạnh hấp thụ NH3-H2O là một hệ thống làm lạnh sử dụng nhiệt năng để hoạt động. Hệ thống này có khả năng tận dụng các nguồn nhiệt thải, góp phần bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng phần mềm MATLAB trong tính toán

Sử dụng phần mềm MATLAB giúp tối ưu hóa quá trình tính toán, giảm thiểu sai sót và tăng cường khả năng phân tích dữ liệu. Điều này rất quan trọng trong việc thiết kế và vận hành máy lạnh hấp thụ.

II. Thách thức trong việc tính toán máy lạnh hấp thụ NH3 H2O

Mặc dù phần mềm MATLAB mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc tính toán máy lạnh hấp thụ NH3-H2O vẫn gặp phải một số thách thức. Các yếu tố như độ chính xác của dữ liệu đầu vào, sự phức tạp của các mô hình nhiệt động học và khả năng xử lý của phần mềm đều ảnh hưởng đến kết quả tính toán.

2.1. Độ chính xác của dữ liệu đầu vào

Để có được kết quả tính toán chính xác, dữ liệu đầu vào như nhiệt độ, áp suất và nồng độ dung dịch cần phải được xác định một cách chính xác. Bất kỳ sai sót nào trong dữ liệu này đều có thể dẫn đến kết quả không chính xác.

2.2. Sự phức tạp của mô hình nhiệt động học

Mô hình nhiệt động học của máy lạnh hấp thụ NH3-H2O có thể rất phức tạp, yêu cầu người sử dụng phải có kiến thức sâu về lý thuyết và thực hành để có thể áp dụng hiệu quả.

III. Phương pháp xây dựng phần mềm tính toán máy lạnh hấp thụ NH3 H2O

Việc xây dựng phần mềm tính toán máy lạnh hấp thụ NH3-H2O sử dụng MATLAB bao gồm nhiều bước quan trọng. Từ việc xác định các thông số đầu vào cho đến việc lập trình các thuật toán tính toán, mỗi bước đều cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả.

3.1. Xác định các thông số đầu vào

Các thông số đầu vào như nhiệt độ, áp suất và nồng độ dung dịch cần được xác định rõ ràng. Điều này giúp phần mềm có thể tính toán chính xác hiệu suất của hệ thống.

3.2. Lập trình thuật toán tính toán

Lập trình các thuật toán tính toán trong MATLAB là bước quan trọng để mô phỏng chu trình làm việc của máy lạnh hấp thụ. Các thuật toán này cần phải được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất tính toán cao.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phần mềm tính toán máy lạnh hấp thụ NH3 H2O

Phần mềm tính toán máy lạnh hấp thụ NH3-H2O không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp. Nó giúp các kỹ sư thiết kế hệ thống lạnh hiệu quả hơn, từ đó tiết kiệm chi phí và năng lượng.

4.1. Tối ưu hóa thiết kế hệ thống lạnh

Phần mềm giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống lạnh bằng cách mô phỏng các điều kiện làm việc khác nhau, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu nhất cho từng trường hợp cụ thể.

4.2. Nâng cao hiệu suất vận hành

Việc sử dụng phần mềm tính toán giúp nâng cao hiệu suất vận hành của máy lạnh hấp thụ, từ đó giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì.

V. Kết luận và tương lai của phần mềm tính toán máy lạnh hấp thụ NH3 H2O

Phần mềm tính toán máy lạnh hấp thụ NH3-H2O sử dụng MATLAB đã chứng minh được giá trị của nó trong việc tối ưu hóa thiết kế và vận hành hệ thống lạnh. Tương lai của phần mềm này hứa hẹn sẽ còn phát triển hơn nữa với sự tiến bộ của công nghệ và nhu cầu ngày càng cao trong ngành công nghiệp lạnh.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ

Công nghệ tính toán và mô phỏng sẽ tiếp tục phát triển, mở ra nhiều cơ hội mới cho việc ứng dụng phần mềm trong ngành lạnh.

5.2. Tác động đến môi trường

Việc tối ưu hóa hệ thống lạnh không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn góp phần bảo vệ môi trường, giảm thiểu tác động tiêu cực từ các hệ thống lạnh truyền thống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống như than đá và dầu mỏ đang dần cạn kiệt, việc thu hồi các nguồn nhiệt thải công nghiệp có nhiệt thế thấp từ 80°C đến 150°C đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong chiến lược tiết kiệm năng lượng toàn cầu. Tại Việt Nam, sự gia tăng nhanh chóng của các khu công nghiệp luyện kim, hóa chất, nhà máy nhiệt điện cùng các phụ phẩm nông nghiệp như trấu, bã mía đang thải ra môi trường một lượng nhiệt năng dư thừa rất lớn. Tuy nhiên, việc ứng dụng máy lạnh hấp thụ sử dụng nguồn nhiệt thải này còn gặp nhiều rào cản kỹ thuật do công tác tính toán nhiệt động truyền thống bằng phương pháp tra bảng và đồ thị entanpi - nồng độ (đồ thị i-c) tiêu tốn nhiều thời gian và có độ chuẩn xác chưa cao.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là ứng dụng phần mềm Matlab để xây dựng chương trình số hóa tự động tính toán chu trình nhiệt động thực của hệ thống máy lạnh hấp thụ amoniac - nước (NH3 - H2O) một cấp hồi nhiệt. Đề tài tập trung giải quyết bài toán thiết kế với công suất lạnh định mức 175,8 kW (tương đương 50 TR), khảo sát dải nhiệt độ nguồn nhiệt cấp từ 120°C đến 165°C, nhiệt độ bay hơi từ 0°C đến -20°C và nhiệt độ nước giải nhiệt từ 22°C đến 45°C. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc tối ưu hóa hệ số sử dụng nhiệt COP (đạt từ 0,22 đến 0,36) và kiểm soát bội số tuần hoàn dung dịch f (giảm xuống mức 2,21 đến 3,65 ở điều kiện tiêu chuẩn), giúp giảm hơn 80% lượng điện tiêu thụ so với máy lạnh nén hơi, đồng thời loại trừ hoàn toàn việc phát thải các chất làm suy giảm tầng ozone và gây hiệu ứng nhà kính.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên 3 trụ cột lý thuyết nhiệt động lực học và truyền nhiệt chuyên sâu:

• Lý thuyết chu trình máy lạnh hấp thụ một cấp hồi nhiệt: Mô hình hóa toàn bộ quá trình biến đổi pha và trao đổi năng lượng giữa các thiết bị chính bao gồm bình phát sinh, bình hấp thụ, bình ngưng tụ, dàn bay hơi, bình ngưng hồi lưu và thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch.
• Phương trình trạng thái và nhiệt vật lý dung dịch hai cấu tử NH3 - H2O: Ứng dụng hệ thống công thức giải tích giải mã mối quan hệ tương quan giữa áp suất bão hòa p, nhiệt độ sôi T, nồng độ dung dịch c, nhiệt dung riêng cp và hệ số dẫn nhiệt lambda.
• Lý thuyết cân bằng nhiệt và bảo toàn vật chất: Xác định cân bằng năng lượng từng thiết bị với hệ số hiệu suất trao đổi nhiệt đạt 95% và hệ số dự phòng tổn thất lạnh 5%.

Bên cạnh đó, nghiên cứu làm rõ 4 khái niệm nhiệt kỹ thuật cốt lõi:

• Hệ số sử dụng nhiệt COP: Tỷ số giữa năng suất lạnh nhận được tại dàn bay hơi và tổng năng lượng cấp cho bình phát sinh cùng điện năng tiêu hao của bơm dung dịch.
• Bội số tuần hoàn f: Tỷ lệ khối lượng dung dịch đậm đặc tuần hoàn trên một đơn vị khối lượng môi chất hơi amoniac sinh ra.
• Nồng độ dung dịch đậm đặc cs và nồng độ dung dịch loãng cw: Đại lượng đặc trưng cho khả năng hấp thụ và phát sinh khí NH3 trong chu trình.
• Quá trình tinh luyện và hồi lưu: Giải pháp công nghệ tách nước để nâng cao nồng độ hơi NH3 trước khi vào bình ngưng đạt độ tinh khiết tối thiểu 99,8%.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thiết lập tập dữ liệu mô phỏng gồm 48 điểm tính toán nhiệt động cho bài toán biến thiên nhiệt độ nước làm mát và 30 kịch bản mô phỏng cho bài toán nhiệt độ bay hơi. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu phân tầng có chủ đích (purposive stratified sampling) dựa trên các khoảng biến thiên thông số thực tế của công nghiệp lạnh (nhiệt độ nước làm mát 24°C đến 45°C, nhiệt độ nguồn nhiệt cấp 125°C đến 140°C).

Lý do lựa chọn giải thuật số trị trên nền tảng Matlab là khả năng giải quyết các hệ phương trình đại số phi tuyến bậc cao mô tả hàm trạng thái nhiệt động dung dịch NH3 - H2O một cách tự động, khắc phục triệt để sai số trực quan từ 5% đến 10% khi tra cứu thủ công trên đồ thị i-c và t-c. Toàn bộ nguồn dữ liệu kiểm chứng được đối soát trực tiếp với các số liệu chuẩn của ngành kỹ thuật nhiệt lạnh quốc tế, hoàn thiện quy trình phân tích và thử nghiệm mô phỏng trong chu kỳ 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã lượng hóa chi tiết các mối quan hệ nhiệt động then chốt trong hệ thống máy lạnh hấp thụ NH3 - H2O:

• Ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát đến bội số tuần hoàn: Tại mức nhiệt độ nguồn nhiệt cấp 134°C, khi nhiệt độ nước làm mát tăng từ 24°C lên 42°C, bội số tuần hoàn f tăng vọt từ 2,21 lên 20,14 (tương đương mức tăng hơn 811%). Ở nhiệt độ nước làm mát 44°C và nguồn nhiệt 130°C, giá trị f đạt đỉnh 59,83, làm gia tăng đột biến công tiêu hao của bơm tuần hoàn.
• Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi đến hệ số sử dụng nhiệt COP: Khi nhiệt độ bay hơi te giảm từ -1°C xuống -10°C ở nhiệt độ nguồn cấp 140°C, hệ số COP giảm liên tục từ 0,36 xuống 0,06 (suy giảm 83,3%). Với nguồn nhiệt cấp 134°C, hệ số COP duy trì ổn định ở mức 0,30 tại te = -2°C và 0,32 tại te = -1°C.
• Giới hạn tối ưu của nguồn nhiệt cấp: Khi tăng nhiệt độ nguồn cấp từ 125°C lên 140°C, hệ số COP được cải thiện từ 15% đến 25% trong toàn dải nhiệt độ bay hơi. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ nguồn cấp vượt ngưỡng 150°C, lượng hơi nước bốc theo NH3 tăng mạnh, làm quá tải tháp tinh luyện và giảm 8% năng suất dàn bay hơi.
• Độ chính xác của phần mềm mô phỏng: Kết quả so sánh giữa chương trình Matlab và phương pháp tra đồ thị i-c cho thấy entanpi lỏng ngưng tụ tại áp suất ngưng 20 bar đạt 585 kJ/kg và entanpi hơi sau bốc hơi tại áp suất bay hơi 4 bar đạt 1605 kJ/kg, sai số tương đối giữa hai phương pháp chỉ dưới 1,5%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân vật lý của sự thay đổi hiệu suất xuất phát từ hiện tượng dịch chuyển cân bằng pha lỏng - hơi của dung dịch NH3 - H2O. Khi nhiệt độ nước làm mát tăng, áp suất ngưng tụ trong bình ngưng tăng lên mức 20 bar, làm nhiệt độ bình hấp thụ tăng theo và làm suy giảm khả năng hòa tan khí amoniac vào dung dịch loãng. Hệ quả là hiệu số nồng độ (cs - cw) bị thu hẹp đáng kể, buộc hệ thống phải tăng lưu lượng dung dịch tuần hoàn f để đáp ứng cùng một công suất lạnh 175,8 kW, từ đó làm giảm hiệu quả năng lượng toàn hệ thống.

Về mặt biểu diễn trực quan, các tương quan này được thể hiện rõ ràng thông qua hệ thống biểu đồ đường đa biến (Line Chart) biểu diễn biến thiên của f và COP theo từng đường đẳng nhiệt nguồn cấp (125°C, 130°C, 134°C, 140°C), đi kèm bảng ma trận 10 điểm nút trạng thái nhiệt động (áp suất, nhiệt độ, nồng độ, entanpi). Kết quả nghiên cứu hoàn toàn tương thích với các báo cáo thực nghiệm của ngành nhiệt lạnh thế giới, đồng thời chứng minh phần mềm xây dựng giúp rút ngắn 90% thời gian tính toán chu trình thực so với phương pháp truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu mô phỏng, 4 giải pháp cụ thể được khuyến nghị triển khai:

• Phát triển giao diện người dùng trực quan cho phần mềm tính toán: Xây dựng bộ công cụ GUI trên nền tảng số nhằm tự động hóa hoàn toàn việc thiết lập thông số chu trình, hướng tới mục tiêu giảm 95% thời gian thiết kế sơ bộ máy lạnh hấp thụ, hoàn thành trong vòng 6 tháng bởi nhóm nghiên cứu và kỹ sư lập trình nhiệt lạnh.
• Tối ưu hóa hệ thống tháp giải nhiệt công nghiệp: Lắp đặt cụm tháp giải nhiệt hiệu suất cao nhằm duy trì nhiệt độ nước làm mát tuần hoàn luôn dưới 32°C, đảm bảo bội số tuần hoàn f không vượt quá 6,5 và duy trì hệ số COP trên mức 0,30, triển khai trong 3 đến 6 tháng tại các đơn vị chế tạo thiết bị lạnh.
• Cải tiến kết cấu tháp tinh luyện và bộ hồi lưu: Thiết kế tháp chưng cất đa tầng tích hợp bộ trao đổi nhiệt dung dịch nhằm nâng nồng độ hơi NH3 vào bình ngưng đạt ngưỡng 99,8%, giúp tiết kiệm 15% nhiệt lượng cấp cho bình phát sinh, áp dụng lộ trình 9 tháng bởi các kỹ sư công nghệ tại các nhà máy có nguồn thải nhiệt lớn.
• Chế tạo mô hình thử nghiệm pilot quy mô 50 TR: Triển khai lắp đặt hệ thống máy lạnh hấp thụ NH3 - H2O thực nghiệm tại nhà máy công nghiệp để đối soát số liệu thực tế, kiểm soát sai số mô phỏng dưới 2%, thực hiện trong giai đoạn 12 đến 18 tháng bởi các viện nghiên cứu phối hợp cùng doanh nghiệp cơ khí chế tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư thiết kế và tư vấn cơ điện lạnh: Tiếp cận thuật toán số hóa để tính toán kích thước bình ngưng, tháp tinh luyện và bình phát sinh; ứng dụng thiết kế hệ thống cấp đông bảo quản thủy hải sản công suất 175,8 kW sử dụng nhiệt khói thải lò hơi.
• Giảng viên và sinh viên ngành Kỹ thuật Nhiệt - Năng lượng: Sử dụng cơ sở lý thuyết nhiệt động dung dịch hai cấu tử và phương pháp mô phỏng trên Matlab làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu chuyên đề hoặc đồ án tốt nghiệp chuyên ngành nhiệt lạnh.
• Cán bộ quản lý năng lượng tại các nhà máy công nghiệp: Đánh giá tiềm năng kinh tế và kỹ thuật trong việc thu hồi nguồn nhiệt thải từ 80°C đến 150°C để tạo nước đá hoặc làm mát xưởng sản xuất; xây dựng báo cáo khả thi đầu tư dự án tiết kiệm năng lượng.
• Doanh nghiệp sản xuất và tích hợp thiết bị công nghệ xanh: Khai thác công cụ phần mềm để tối ưu hóa vật liệu chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt, phát triển dòng máy chiller hấp thụ thay thế máy nén lạnh Freon nhằm đạt các chứng chỉ công trình xanh.

Câu hỏi thường gặp

Máy lạnh hấp thụ NH3 - H2O khác gì so với máy lạnh nén hơi truyền thống? Hệ thống hấp thụ thay thế máy nén tiêu tốn nhiều điện năng bằng cụm thiết bị gồm bình hấp thụ, bơm dung dịch và bình phát sinh sử dụng nhiệt thừa từ 80°C đến 150°C. Cơ cấu này chỉ sử dụng một động cơ bơm nhỏ, giúp giảm hơn 80% lượng điện tiêu thụ và vận hành êm ái, rất phù hợp cho những khu vực thiếu điện hoặc giá điện cao.

Vì sao nghiên cứu lựa chọn cặp môi chất NH3 - H2O thay vì H2O - LiBr? Cặp dung dịch H2O - LiBr sử dụng nước làm môi chất bay hơi nên chỉ có thể tạo ra nhiệt độ làm lạnh trên 0°C phục vụ điều hòa không khí. Ngược lại, cặp NH3 - H2O cho phép nhiệt độ bay hơi hạ sâu xuống từ -2°C đến -20°C, là lựa chọn bắt buộc cho các hệ thống cấp đông thủy hải sản và sản xuất nước đá công nghiệp.

Tại sao phải lắp đặt tháp chưng cất và bộ ngưng tụ hồi lưu trong hệ thống? Khi dung dịch NH3 - H2O sôi trong bình phát sinh, một lượng nhỏ hơi nước sẽ bị cuốn theo amoniac. Nếu không loại bỏ hoàn toàn, lượng nước này sẽ đóng băng tại van tiết lưu và làm tắc nghẽn đường ống. Tháp chưng cất và bộ hồi lưu giúp duy trì nồng độ hơi amoniac tinh khiết đạt 99,8%, bảo vệ hệ thống vận hành liên tục.

Nhiệt độ nước làm mát ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất hệ thống? Khi nhiệt độ nước làm mát tăng từ 24°C lên 42°C, áp suất ngưng tụ tăng cao làm dung dịch loãng hấp thụ amoniac kém hơn, dẫn đến bội số tuần hoàn f tăng vọt từ 2,21 lên 20,14 ở nguồn nhiệt 134°C. Điều này làm tăng điện năng tiêu thụ của bơm và làm suy giảm nghiêm trọng hệ số COP của chu trình.

Việc ứng dụng phần mềm Matlab mang lại ưu thế gì so với phương pháp tra đồ thị cổ điển? Phương pháp tra đồ thị entanpi - nồng độ (i-c) thủ công thường gặp sai số từ 5% đến 10% do thao tác gióng đường kẻ trực quan và tốn nhiều thời gian khi thay đổi thông số đầu vào. Phần mềm Matlab giải chính xác các hệ phương trình trạng thái phi tuyến trong vài giây, hỗ trợ tối ưu hóa đa biến nhanh chóng và chuẩn xác.

Kết luận

• Đã xây dựng hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết nhiệt động và hệ thống phương trình giải tích xác định chính xác các thông số trạng thái của máy lạnh hấp thụ NH3 - H2O một cấp hồi nhiệt.
• Ứng dụng thành công ngôn ngữ lập trình Matlab để phát triển phần mềm tính toán chu trình nhiệt động với sai số kiểm nghiệm so với đồ thị i-c dưới mức 1,5%.
• Xác lập định lượng quy luật biến thiên của hệ số sử dụng nhiệt COP (từ 0,06 đến 0,36) và bội số tuần hoàn f (từ 2,21 đến 59,83) dưới tác động của nhiệt độ nguồn nhiệt cấp, nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ nước giải nhiệt.
• Chứng minh tính khả thi vượt trội của giải pháp tận dụng nguồn nhiệt thải có nhiệt thế thấp từ 80°C đến 150°C để cấp đông và làm lạnh công nghiệp, bảo vệ tầng ozone và giảm phát thải khí nhà kính.
• Đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho việc thiết kế, chế tạo và nội địa hóa thiết bị máy lạnh hấp thụ công nghiệp tại Việt Nam trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới.

Đóng góp chính của luận văn là đã số hóa thành công quy trình tính toán nhiệt động phức tạp thành công cụ phần mềm tiện ích, tháo gỡ điểm nghẽn về mặt công nghệ thiết kế máy lạnh hấp thụ tại Việt Nam.

Các đơn vị sản xuất công nghiệp và doanh nghiệp cơ điện lạnh nên chủ động ứng dụng ngay mô hình tính toán này trong vòng 6 đến 12 tháng tới để tối ưu hóa việc thu hồi nhiệt thải, cắt giảm chi phí vận hành và đón đầu xu thế công nghệ xanh bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MLHT NH3-H2O. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MLHT NH3-H2O. XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH .20 GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU ĐẾN C.

KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA PHẦN MỀM. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .59 TÀI LIỆU THAM KHẢO vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT i entanpi, kJ/kg p áp suất tuyệt đối, bar q nhiệt lượng riêng phần, kJ/kg Q nhiệt lượng toàn phần, kJ hoặc công suất nhiệt, kW t độ chênh lệch nhiệt độ, 0C hoặc 0K p độ chênh lệch áp suất, bar hoặc Pa  hiệu suất nhiệt, hiệu suất  hệ số dẫn nhiệt, W/(m.độ) c nồng độ dung dịch, % COP hệ số sử dụng nhiệt f bội số tuần hoàn của máy lạnh hấp thụ NH3-H2O G lưu lượng khối lượng, kg/s t nhiệt độ bách phân, 0C T nhiệt độ tuyệt đối, 0K cp Nhiệt dung riêng, (kJ/kg.độ)  Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch, (W/m.độ) vii DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 4.3 Kết quả thí nghiệm 1 36 Bảng 4.4 Kết quả thí nghiệm 2 38 Bảng 5.1 Thông số trạng thái tại các điểm theo đồ thị i-c 44 Bảng 5.2 Thông số trạng thái tại các điểm theo phần mềm 45 Bảng 5.3 Kết quả tính toán bằng phần mềm 45 Bảng 5.4 Thông số trạng thái tại các điểm theo phần mềm 48 Bảng 5.5 Kết quả tính toán bằng phần mềm 48 viii DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống máy lạnh hấp thụ đơn giản 4 Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống máy lạnh hấp thụ thực tế 6 HÌnh 2.1 Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ NH3 – H2O 9 HÌnh 2.2 Đồ thị i-c của dung dịch NH3-H2O 12 Hình 2.3 Đồ thị t-c của dung dịch NH3-H2O 12 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý MLHT NH3-H2O một cấp hồi nhiệt 16 Hình 4.1 Ảnh hưởng nhiệt độ nước làm mát đến bội số tuần hoàn 37 Hình 4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ bay hơi đến C.1 Đồ thị i-c của NH3-H2O một cấp hồi nhiệt 41 Hình 5.2 Sơ đồ nguyên MLHT NH3-H2O có bộ quá lạnh 47 ix Luận văn thạc sĩ Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Nhu cầu sử dụng MLHT sử dụng nhiệt thải ở Việt Nam trong tƣơng lai Máy lạnh hấp thụ ra đời từ rất sớm và được sử dụng phổ biến ở Mỹ và Châu Âu nhưng từ khi phát minh ra động cơ điện để thu gọn kích thước máy, công suất lạnh tăng lên nên máy lạnh có máy nén dần dần thay thế vai trò máy lạnh hấp thụ. Tuy nhiên cùng với sự phát triển công nghệ, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường hiện nay, người ta nhận thấy cần phải khai thác triệt để các nguồn năng lượng sơ cấp hoặc các nguồn nhiệt thải tùy theo điều kiện cụ thể nên vai trò máy lạnh hấp thụ sử dụng nhiệt thải được coi trọng trở lại. Nhiệt thải (Waste Heat) có thể hiểu là nguồn năng lượng dưới dạng nhiệt năng được thải ra ngoài môi trường sau khi đã thực hiện quá trình trao đổi nhiệt hoặc đã thực hiện qui trình công nghệ nào đó.

Do vậy, về số lượng và chủng loại thì nó rất phong phú và đa dạng như: khói thải từ các lò luyện thép, lò nấu thủy tinh, từ turbin khí của nhà máy nhiệt điện, các nhà máy hóa chất……. Hiện nay xu hướng tận dụng nhiệt thải từ các nhà máy công nghiệp đang là xu hướng toàn cầu hóa, bởi các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên, thủy điện…. có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Bên cạnh đó tình trạng ô nhiễm môi trường , hiệu ứng nhà kính, và tình trạng phá hủy tầng Ozone cũng đang là vấn đề đặt ra cho các nhà khoa học.

Đối với các nước tiên tiến trên thế giới, MLHT sử dụng nhiệt thải đã được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên ở Việt Nam hiện nay, việc ứng dụng máy lạnh hấp thụ sử dụng nhiệt thải trong thực tế còn gặp nhiều khó khăn vì: - Về nguyên lý thì có rất nhiều người hiểu biết nhưng khi đi vào thiết kế kỹ thuật công trình thì phần lớn không thực hiện được vì thiếu rất nhiều vấn đề về công Trang 1 Luận văn thạc sĩ nghệ. Do đó tất cả chỉ dừng lại ở phần chung mà không có công nghệ. - Nguồn tài liệu về máy lạnh hấp thụ phân tán và rất ít tài liệu đề cập đến công nghệ mà chỉ dừng lại ở dạng phân tích hiệu quả kinh tế.

Do vậy để ứng dụng công nghệ cần phải có sự đầu tư, thu thập, phân tích và tìm được các số liệu kỹ thuật để thiết kế sản xuất. Mặc dù vậy, Việt Nam đang hướng theo xu thế phát triển chung của thế giới nên việc phải thực hiện các giải pháp sạch và xanh trong sản xuất và trong sinh hoạt là điều tất yếu phải xảy ra. Bên cạnh đó, nước ta là một nước đang phát triển, các khu công nghiệp, khu chế xuất, các nhà máy… ngày càng nhiều nên lượng khí thải sẽ tăng rất nhanh. Đồng thời, việc sản xuất từ nông nghiệp cũng có các nguồn nhiệt thải, nguồn nhiệt có nhiệt thế thấp, nguồn nhiệt từ các phế liệu rất đa dạng như trấu, mùn cưa, bã mía, hoặc từ các suối nước nóng….

Vì vậy trong tương lai gần, MLHT sử dụng nhiệt thải sẽ được đưa vào sử dụng rộng rãi nhằm tận dụng nguồn nhiệt thải dồi dào và đặc biệt hơn là giải quyết được vấn đề cấp bách về môi trường mà loài người đang quan tâm.2 Mục tiêu và phƣơng pháp nghiên cứu 1.1 Mục tiêu luận văn Mục tiêu của luận văn là ứng dụng Matlab để xây dựng phần mềm tính toán MLHT NH3-H2O sử dụng nhiệt thải. Phần mềm này sẽ tính toán chu trình thực của máy lạnh hấp thụ với các thông số có thể thay đổi được nhằm xây dựng các mối quan hệ ảnh hưởng đến chế độ làm việc của chu trình, giúp cho các nhà thiết kế, sản xuất, vận hành có thể lựa chọn được phương án kỹ thuật một cách hiệu quả mà bằng phương pháp cổ điển là dùng đồ thị và tra bảng sẽ khó khăn và mất rất nhiều thời gian, công sức.2 Phương pháp nghiên cứu Để đạt được mục tiêu trên thì phương pháp nghiên cứu cụ thể của tôi là : Trang 2 Luận văn thạc sĩ - Nghiên cứu các cơ sở tính toán về MLHT NH3-H2O để so sánh và chọn lựa cơ sở tính toán tối ưu cho viêc xây dựng phần mềm - Ứng dụng Matlab trong việc xây dựng phần mềm tính toán MLHT NH3-H2O - Tiến hành thí nghiệm trên máy vi tính để đưa đến phương án cấp nhiệt và chế độ làm việc tối ưu của hệ thống.3 Giới hạn đề tài Theo quy ước phổ biến thì chất thuần khiết đứng trước là chất bay hơi, đóng vai trò là tác nhân lạnh, còn chất thuần khiết đứng sau là dung môi, đóng vai trò là chất hấp thụ. Như vậy do tính chất nhiệt động đặc trưng của chất bay hơi thì trong máy lạnh hấp thụ khi cần làm lạnh dưới 00C – hệ thống cấp trữ đông, sản xuất nước đá thì sử dụng dung dịch NH3-H2O và sử dụng dung dịch H2O-LiBr khi cần làm lạnh trên 00C – hệ thống điều hòa không khí. Ở luận văn này chúng tôi chỉ đề cập đến máy lạnh hấp thụ làm việc với dung dịch amôniăc-nước (NH3-H2O) 1.3 Tổng quan về máy lạnh hấp thụ sử dụng nhiệt thải 1.1 Hệ thống lạnh hấp thụ đơn giản Hệ thống lạnh hấp thụ là một trong những phương pháp làm lạnh cổ xưa nhất.

Nguyên lý của phương pháp hấp thụ, bay hơi lần đầu tiên được phát hiện bởi Micheal Faraday vào năm 1824. Và máy lạnh hấp thụ đầu tiên được phát triển bởi nhà khoa học người Pháp Ferdinand Carre năm 1860. Hệ thống này có thể được dùng đơn lẻ hoặc trong các nhà máy làm lạnh công nghiệp lớn. Hệ thống lạnh hấp thụ sử dụng nhiệt năng thay vì cơ năng trong máy lạnh có máy nén hơi, và môi chất làm việc trong máy lạnh có máy nén hơi thường là chất thuần khiết hoặc hỗn hợp đồng sôi (có nhiệt độ sôi gần giống nhau) còn trong máy lạnh hấp thụ phải là dung dịch được trộn lẫn từ hai chất thuần khiết khác nhau, hai chất này phải không tác dụng hóa học với nhau và phải có nhiệt độ sôi khá cách biệt nhau khi cùng ở điều kiện áp suất.

Có rất nhiều loại dung dịch có thể dùng được trong máy lạnh hấp thụ như NH3-H2O, NH3-LiSCN, NH3-LiNO3,v.v… hoặc Trang 3 Luận văn thạc sĩ H2O-LiBr, H2O-LiCl, H2O-CaCl2,v.v… nhưng trong thực tế người ta sử dụng phổ biến nhất là các dung dịch NH3-H2O và H2O-LiBr. Dưới đây là sơ đồ của một máy lạnh hấp thụ đơn giản.1 Sơ đồ hệ thống máy lạnh hấp thụ đơn giản [6] Một hệ thống lạnh hấp thụ đơn giản gồm có: một thiết bị hấp thụ, một bơm, một bình phát sinh và một van giảm áp thay cho máy nén trong hệ thống lạnh dạng nén. Các thành phần khác của hệ thống là dàn ngưng, bình chứa, van tiết lưu và dàn bay hơi giống như hệ thống lạnh dạng nén Trong hình 1.1, Sử dụng môi chất làm lạnh là Amonia. Hơi amonia ở áp suất thấp rời khỏi dàn bay hơi được hấp thụ bởi dung dịch Amonia loãng ở thiết bị hấp thụ.

Dung dịch loãng có khả năng hấp thụ một lượng lớn hơi Amonia. Dung dịch này được làm mát bởi nước làm mát. Sự hấp thụ Amoniac của dung dịch loãng làm giảm áp suất trong giàn hấp thụ, điều này làm gia tăng nhiệt độ của dung dịch. Do vậy, các thiết bị giải nhiệt cho bình hấp thụ được gắn vào để giảm nhiệt cho dung Trang 4 Luận văn thạc sĩ dịch.

Và nó cũng cần thiết để gia tăng khả năng hấp thụ của dung dịch loãng. Vì ở nhiệt độ cao dung dịch loãng hấp thụ ít hơi Amoniac hơn. Dung dịch loãng sau khi hấp thụ có nồng độ cao được bơm tới bình phát sinh. Bơm này còn có tác dụng gia tăng áp suất cho dung dịch.

Dung dịch đậm đặc Amoniac trong bình phát sinh được gia nhiệt bởi các nguồn nhiệt bên ngoài như: các nguồn nhiệt thải, gas, hơi nước……Trong suốt quá trình gia nhiệt hơi Amoniac ở áp suất cao được đưa đến bình ngưng tụ, còn dung dịch loãng ammoniac nóng sẽ chảy xuống bình hấp thụ ở áp suất thấp sau khi qua van tiết lưu. Hơi amoniac được ngưng tụ ở dàn ngưng tụ để trở thành dung dịch ammoniac ở áp suất cao. Dung dịch này đi qua bình chứa và qua van tiết lưu sau đó đến dàn bay hơi và hoàn thành một chu kỳ hấp thụ đơn giản.