Tổng quan nghiên cứu

Máy lạnh hấp thụ sử dụng nhiệt thải đang trở thành giải pháp quan trọng trong bối cảnh nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt và nhu cầu bảo vệ môi trường gia tăng. Theo ước tính, nhiệt thải từ các nhà máy công nghiệp, như lò luyện thép, nhà máy nhiệt điện, và các khu chế xuất, có nhiệt độ trong khoảng 80 đến 150°C, là nguồn năng lượng tiềm năng để vận hành máy lạnh hấp thụ. Việc tận dụng nguồn nhiệt thải này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn góp phần giảm thiểu phát thải khí nhà kính và hạn chế phá hủy tầng ozone do các chất làm lạnh truyền thống như Freon gây ra.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng Matlab trong xây dựng phần mềm tính toán máy lạnh hấp thụ sử dụng dung dịch NH3-H2O với nguồn nhiệt thải, nhằm tối ưu hóa thiết kế và vận hành hệ thống. Mục tiêu cụ thể là phát triển phần mềm có khả năng mô phỏng chu trình thực của máy lạnh hấp thụ, phân tích ảnh hưởng của các thông số đầu vào như nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ nước giải nhiệt đến hiệu suất nhiệt (COP) và bội số tuần hoàn (f). Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi máy lạnh hấp thụ một cấp hồi nhiệt, sử dụng nguồn nhiệt thải tại Việt Nam, với các thông số năng suất lạnh từ 100 đến 500 kW.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp công cụ tính toán chính xác, nhanh chóng cho các nhà thiết kế và vận hành, giúp lựa chọn phương án kỹ thuật tối ưu, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Đồng thời, kết quả nghiên cứu cũng là tài liệu tham khảo quý giá cho sinh viên và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ chế tạo máy và kỹ thuật nhiệt lạnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ NH3-H2O và các mô hình nhiệt động học tính toán chu trình hấp thụ. Máy lạnh hấp thụ hoạt động dựa trên sự bay hơi và hấp thụ của dung dịch amoniac-nước, trong đó NH3 đóng vai trò chất làm lạnh và H2O là chất hấp thụ. Chu trình bao gồm các thiết bị chính: bình phát sinh hơi, tháp chưng cất, bình ngưng tụ, dàn bay hơi, bình hấp thụ và bơm dung dịch.

Ba khái niệm trọng tâm được sử dụng là:

  • Bội số tuần hoàn (f): Tỷ lệ giữa lưu lượng dung dịch đặc và lưu lượng NH3 tuần hoàn, phản ánh hiệu quả tuần hoàn của chu trình.
  • Hệ số sử dụng nhiệt (COP): Tỷ số giữa công suất lạnh thu được và tổng năng lượng nhiệt cung cấp, là chỉ số đánh giá hiệu suất nhiệt của máy lạnh hấp thụ.
  • Đồ thị entanpi-nồng độ (đồ thị i-c): Công cụ quan trọng để xác định các thông số trạng thái của dung dịch NH3-H2O trong chu trình, giúp mô phỏng chính xác quá trình bay hơi và hấp thụ.

Ngoài ra, các công thức tính nhiệt độ sôi, áp suất, entanpi, nồng độ hơi và dung dịch được áp dụng để xây dựng mô hình tính toán chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng trên máy tính với cỡ mẫu gồm các trường hợp thay đổi thông số đầu vào như nhiệt độ bay hơi (-20°C đến -100°C), nhiệt độ nước giải nhiệt (24°C đến 45°C), và nhiệt độ nguồn nhiệt (120°C đến 165°C). Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các điều kiện vận hành tiêu biểu nhằm khảo sát ảnh hưởng của từng thông số đến hiệu suất hệ thống.

Phân tích dữ liệu được thực hiện bằng phần mềm Matlab, xây dựng chương trình tính toán chu trình máy lạnh hấp thụ NH3-H2O một cấp hồi nhiệt. Kết quả mô phỏng được so sánh với phương pháp truyền thống dùng đồ thị i-c để kiểm tra độ chính xác và tin cậy. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 6 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, lập trình phần mềm, thí nghiệm mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát đến bội số tuần hoàn (f): Khi nhiệt độ nước làm mát giảm từ 45°C xuống 24°C, bội số tuần hoàn giảm đáng kể, ví dụ tại nhiệt độ nguồn nhiệt 134°C, f giảm từ khoảng 12,26 xuống 3,39. Điều này đồng nghĩa với việc hệ số sử dụng nhiệt COP tăng lên, do giảm công tiêu hao cho bơm và tăng hiệu quả tuần hoàn.

  2. Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi đến hệ số sử dụng nhiệt (COP): Khi nhiệt độ bay hơi tăng từ -10°C lên -1°C, COP tăng rõ rệt, ví dụ tại nguồn nhiệt 134°C, COP tăng từ khoảng 0,06 lên 0,32. Nhiệt độ bay hơi cao hơn giúp tăng hiệu suất làm lạnh và giảm tổn thất nhiệt.

  3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nguồn nhiệt đến hiệu suất: Nguồn nhiệt có nhiệt độ cao hơn (140°C so với 130°C) làm tăng khả năng sôi và bay hơi của dung dịch NH3-H2O, tuy nhiên cũng làm tăng áp suất ngưng tụ và lượng nước cuốn theo hơi, gây áp lực lên tháp chưng cất và giảm hiệu suất thực tế.

  4. Độ tin cậy của phần mềm Matlab: So sánh kết quả tính toán bằng phần mềm với phương pháp đồ thị i-c cho thấy sai số nhỏ, khẳng định phần mềm có độ chính xác cao và khả năng ứng dụng thực tiễn trong thiết kế và vận hành máy lạnh hấp thụ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do nhiệt độ nước làm mát ảnh hưởng trực tiếp đến áp suất ngưng tụ và nhiệt độ của dung dịch trong bình hấp thụ, từ đó điều chỉnh bội số tuần hoàn và hiệu suất nhiệt. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trong ngành, cho thấy việc kiểm soát nhiệt độ nước làm mát là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất máy lạnh hấp thụ.

Nhiệt độ bay hơi cao hơn làm tăng áp suất bay hơi, giúp tăng công suất lạnh và hệ số COP, phù hợp với nguyên lý nhiệt động học của chu trình hấp thụ. Tuy nhiên, việc tăng nhiệt độ nguồn nhiệt cần cân nhắc kỹ do ảnh hưởng đến lượng nước cuốn theo hơi và yêu cầu thiết bị tinh luyện.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ nước làm mát và bội số tuần hoàn, cũng như nhiệt độ bay hơi và hệ số COP, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến hiệu suất hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Giảm nhiệt độ nước làm mát: Thực hiện các giải pháp làm mát hiệu quả hơn, như sử dụng tháp giải nhiệt hoặc hệ thống làm mát tuần hoàn, nhằm giảm nhiệt độ nước làm mát xuống dưới 30°C để giảm bội số tuần hoàn và tăng hệ số COP. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: nhà máy, kỹ sư vận hành.

  2. Tối ưu nhiệt độ bay hơi: Điều chỉnh nhiệt độ bay hơi trong khoảng -5°C đến -1°C tùy theo yêu cầu làm lạnh để đạt hiệu suất tối ưu. Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình vận hành; chủ thể: kỹ sư thiết kế và vận hành.

  3. Kiểm soát nhiệt độ nguồn nhiệt: Sử dụng nguồn nhiệt thải có nhiệt độ ổn định trong khoảng 120°C đến 140°C để cân bằng giữa hiệu suất và độ bền thiết bị, đồng thời giảm tải cho tháp chưng cất. Thời gian thực hiện: dài hạn; chủ thể: quản lý nhà máy, kỹ sư thiết kế.

  4. Ứng dụng phần mềm Matlab trong thiết kế và vận hành: Khuyến khích các đơn vị sản xuất và vận hành sử dụng phần mềm tính toán để mô phỏng và lựa chọn phương án kỹ thuật phù hợp, tiết kiệm thời gian và chi phí. Thời gian thực hiện: ngay lập tức; chủ thể: các phòng kỹ thuật, trung tâm nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế máy lạnh và hệ thống nhiệt lạnh: Sử dụng phần mềm và kết quả nghiên cứu để thiết kế máy lạnh hấp thụ tối ưu, giảm chi phí và nâng cao hiệu suất.

  2. Nhà quản lý và vận hành nhà máy công nghiệp: Áp dụng các giải pháp làm mát và điều chỉnh nhiệt độ nguồn nhiệt nhằm tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành công nghệ chế tạo máy, kỹ thuật nhiệt lạnh: Tài liệu tham khảo cho việc giảng dạy, nghiên cứu và phát triển các dự án liên quan đến máy lạnh hấp thụ.

  4. Các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ năng lượng tái tạo: Tham khảo mô hình và phương pháp tính toán để phát triển các hệ thống tận dụng nhiệt thải và năng lượng mặt trời trong làm lạnh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy lạnh hấp thụ NH3-H2O có ưu điểm gì so với máy lạnh nén hơi?
    Máy lạnh hấp thụ sử dụng nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp (80-150°C), ít chi tiết chuyển động, vận hành êm, ít tiêu thụ điện năng và thân thiện với môi trường do không dùng chất Freon.

  2. Tại sao cần sử dụng phần mềm Matlab trong tính toán máy lạnh hấp thụ?
    Phần mềm giúp mô phỏng chính xác chu trình, phân tích ảnh hưởng của các thông số đầu vào nhanh chóng, tiết kiệm thời gian so với phương pháp tra đồ thị và bảng truyền thống.

  3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát đến hiệu suất máy lạnh hấp thụ như thế nào?
    Nhiệt độ nước làm mát thấp giúp giảm áp suất ngưng tụ, giảm bội số tuần hoàn và tăng hệ số sử dụng nhiệt COP, nâng cao hiệu quả làm lạnh.

  4. Có những hạn chế nào khi sử dụng dung dịch NH3-H2O làm môi chất lạnh?
    Dung dịch có thể gây ăn mòn kim loại màu, cần thiết bị tinh luyện lớn để loại bỏ nước trong hơi, và mùi amoniac có thể gây khó chịu khi rò rỉ.

  5. Phần mềm tính toán có thể áp dụng cho các loại máy lạnh hấp thụ khác không?
    Phần mềm được thiết kế cho máy lạnh hấp thụ NH3-H2O một cấp hồi nhiệt, tuy nhiên có thể điều chỉnh để áp dụng cho các hệ thống tương tự với môi chất khác bằng cách cập nhật các thông số nhiệt động học phù hợp.

Kết luận

  • Ứng dụng Matlab trong xây dựng phần mềm tính toán máy lạnh hấp thụ NH3-H2O giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả thiết kế.
  • Nhiệt độ nước làm mát và nhiệt độ bay hơi là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến bội số tuần hoàn và hệ số sử dụng nhiệt COP.
  • Nguồn nhiệt thải có nhiệt độ trong khoảng 120-140°C phù hợp để vận hành máy lạnh hấp thụ một cấp hồi nhiệt.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế, vận hành và tối ưu hóa máy lạnh hấp thụ sử dụng nhiệt thải tại Việt Nam.
  • Khuyến nghị áp dụng phần mềm và các giải pháp làm mát hiệu quả trong thực tế nhằm tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên triển khai thử nghiệm thực tế, mở rộng phạm vi nghiên cứu sang các loại máy lạnh hấp thụ đa cấp và môi chất khác để nâng cao hiệu quả ứng dụng. Để biết thêm chi tiết và nhận phần mềm tính toán, vui lòng liên hệ với tác giả hoặc các đơn vị nghiên cứu chuyên ngành.