Giáo trình Công nghệ làm lạnh mới (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Cao đẳng) - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

(NB) Giáo trình Công nghệ làm lạnh mới với mục tiêu giúp các bạn sinh viên hiểu được chức năng, nhiệm vụ, cấu tạo, hoạt động của các thiết bị trong hệ thống lạnh hấp thụ, hấp phụ rắn, năng lượng mặt trời. Mời các bạn cùng tham khảo!

Máy lạnh hấp thụ

Chu trình lý thuyết

Sơ đồ nguyên lý của máy lạnh hấp thụ lý thuyết được biểu diễn trên hình 1.1

Hình 1.1- Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ

Các quá trình của máy lạnh hấp thụ:

Quá trình nén diễn ra thông qua một chu trình tuần hoàn của dung dịch qua các thiết bị như hấp thụ, bơm dung dịch, bình sinh hơi và tiết lưu dung dịch Tập hợp các thiết bị này được gọi là máy nén nhiệt.

SH - Bình sinh hơi HT - Bình hấp thụ

BDD - Bơm dung dịch TLDD - Tiết lưu dung dịch Đường tuần hoàn môi chất lạnh Đường tuần hoàn dung dịch

2 - 3 - Quá trình ngưng tụ xảy ra ở thiết bị ngưng tụ

Máy lạnh hấp thụ hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ hơi môi chất từ bình bay hơi, nơi mà dung dịch loãng tiếp xúc và hấp thụ hơi này, trở thành dung dịch đậm đặc nhờ nhiệt độ thấp Nhiệt tỏa ra trong quá trình hấp thụ được thải cho nước làm mát Dung dịch đậm đặc sau đó được bơm lên bình sinh hơi, nơi hơi môi chất được tách ra nhờ nhiệt độ cao và áp suất, rồi đi vào thiết bị ngưng tụ Tại đây, môi chất nhường nhiệt cho môi trường làm mát và ngưng tụ thành lỏng, sau đó đi qua thiết bị tiết lưu để giảm áp suất và nhiệt độ trước khi trở lại bình bay hơi Tại bình bay hơi, môi chất nhận nhiệt từ vật cần làm lạnh và bay hơi, tiếp tục chu trình khép kín với dung dịch loãng trong bình hấp thụ Toàn bộ quá trình này có thể được so sánh với hoạt động của máy lạnh nén hơi để hiểu rõ hơn về nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ.

Chu trình máy lạnh hấp thụ Chu trình máy lạnh nén hơi

Phương trình cân bằng nhiệt qk + qA = q0 + qH + qB qk = q0 + l

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các thông số quan trọng liên quan đến năng suất nhiệt và lạnh, bao gồm: qk - năng suất nhiệt riêng (kJ/kg), q0 - năng suất lạnh riêng (kJ/kg), qA - nhiệt hấp thụ riêng (kJ/kg), qH - nhiệt riêng tiêu tốn cho quá trình sinh hơi (kJ/kg), và qB - nhiệt riêng tiêu tốn cho bơm dung dịch (kJ/kg) Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất và tiêu thụ năng lượng trong các quá trình công nghiệp.

Trong đó: qk - Năng suất nhiệt riêng, kJ/kg q0 - Năng suất lạnh riêng, kJ/kg l - Công nén riêng, kJ/kg

Hệ số lạnh của máy lạnh nén hơi: l εq 0

Hệ số lạnh của máy lạnh hấp thụ:

 Điều kiện cho một chu trình lạnh hấp thụ hoạt động được là:

r - Nồng độ dung dịch đậm đặc;

a - Nồng độ dung dịch loãng;

 - Còn gọi là vùng khử khí, nghĩa là hiệu nồng độ đậm đặc và loãng hoặc vùng khử khí phải dương

Môi chất dùng trong máy lạnh hấp thụ

Trong hệ thống máy lạnh hấp thụ, việc sử dụng chất hấp thụ là cần thiết để kết hợp với môi chất lạnh, tạo thành một cặp môi chất Có hai loại cặp môi chất chính: hấp thụ, dựa trên liên kết hóa học, và hấp phụ, dựa trên liên kết cơ học.

Cặp môi chất hấp thụ: là các cặp môi chất có liên kết hóa học với nhau (lỏng và rắn) như: H2O/CaCl2; NH3/H2O; H2O/Silicagel…

Cặp môi chất hấp phụ là các cặp môi chất có liên kết cơ học với nhau như

Trong ký hiệu của cặp môi chất, chất có nhiệt độ sôi thấp hơn (môi chất lạnh) luôn được ghi trước, trong khi chất hấp thụ được ghi sau, và giữa hai ký hiệu này có một gạch chéo.

* Ví dụ: NH3/H2O ( NH3 là môi chất; H2O là chất hấp thụ)

H2O/BrLi (H2O là môi chất; BrLi là chất hấp thụ)

Yêu cầu đối với cặp môi chất:

- Có tính chất nhiệt động tốt

- Không độc hại, dễ cháy, dễ nổ

- Không ăn mòn đối với vật liệu chế tạo máy

- Phải rẻ tiền, dễ kiếm…

Ngoài ra cặp môi chất cần phải:

Để đảm bảo hơi môi chất lạnh sinh ra ở bình sinh hơi không bị lẫn với chất hấp thụ, cần phải giữ cho nhiệt độ sôi của chúng ở cùng điều kiện áp suất càng xa nhau càng tốt, mặc dù chúng có thể hòa tan hoàn toàn vào nhau.

Nhiệt dung riêng của dung dịch trong máy lạnh hấp thụ chu kỳ cần phải thấp để giảm thiểu tổn thất nhiệt khi khởi động Để tính toán hiệu quả hoạt động của máy lạnh hấp thụ, có thể áp dụng định luật Raoult cho các hỗn hợp "lý tưởng" với hai hoặc nhiều thành phần Đặc biệt, đối với hỗn hợp hai thành phần, việc áp dụng định luật này là rất quan trọng.

Quan hệ giữa áp suất với nồng độ mol thành phần hợp p(T) = ’1.p1(T) + ’2.p2(T) Trong đó: p(T) - Tổng áp suất của hệ thống ở nhiệt độ T, MPa

’1, ’2 - Nồng độ mol của từng thành phần hỗn hợp, kmol thành phần/kmol hỗn hợp; p1(T), p2(T) - Phân áp suất của từng thành phần, MPa

Phương trình (1.3) có điều kiện phụ là: ’1 + ’2 = 1 Quan hệ giữa nồng độ khối lượng  và nồng độ mol như sau

  Ở đây  = 2 và  = 2 là nồng độ của môi chất lạnh trong dung dịch,  (kg thành phần/kg hỗn hợp)

Hình 1.2 Đồ thị h -  cho hỗn hợp NH3

Merkel và Bosnjakovic đã trình bày tính chất của một hỗn hợp hai thành phần thông qua đồ thị h - , trong đó entanpi h được thể hiện trên trục tung và nồng độ khối lượng  trên trục hoành Đồ thị này được chia thành bốn vùng: vùng rắn, vùng lỏng, vùng hơi ẩm và vùng hơi quá nhiệt Các đường phân cách giữa các vùng bao gồm đường rắn, đường sôi và đường ngưng.

Trên đồ thị, các đường cong đẳng áp chạy song song, cho thấy mối liên hệ giữa nhiệt độ sôi, nồng độ và áp suất Các đường cong nhiệt độ tương tự như các đường sôi, cho phép xác định trạng thái lỏng và hơi bão hòa của hỗn hợp tại bất kỳ điểm nào Tại đó, nhiệt độ sôi (t_s), áp suất sôi (p_s) và nồng độ sôi (ξ') có thể được xác định Nồng độ cân bằng của pha hơi được thể hiện bằng đường phụ dưới đường ngưng, trong khi đường biểu thị nồng độ pha hơi ở trạng thái cân bằng bão hòa giúp xác định các trạng thái khi sôi có cùng nồng độ Mỗi vị trí trong chu trình lạnh như bình sinh hơi, ngưng tụ, bay hơi và hấp thụ đều có các điều kiện nhiệt độ và áp suất xác định, từ đó dễ dàng xác định các thông số ở các trạng thái khác trong chu trình.

Với nồng độ ’ và áp suất p1 trên đường sôi, ta xác định được điểm 1 Từ điểm 1, kẻ đường song song với trục tung gặp đường phụ tại điểm 2 Từ điểm 2, kẻ đường song song với trục hoành gặp đường ngưng p1 tại điểm 3 Từ điểm 3, dóng vuông góc xuống trục hoành để xác định nồng độ ” của pha hơi ở trạng thái bão hòa cân bằng với pha lỏng có nồng độ ’ Các thông số trong trạng thái này là ps = 2 MPa, ts = 95 °C, và nồng độ ’.

Đồ thị áp suất hơi của hỗn hợp được sử dụng với trục tung là lgp và trục hoành là 1/T Các đường áp suất sôi của dung dịch có nồng độ không đổi được thể hiện bằng các đường thẳng Hình 1.5 minh họa đồ thị lgp – 1/T của hỗn hợp.

H2O/LiBr với chu trình lạnh hấp thụ

Cặp môi chất NH3/H2O có tính chất nhiệt động học phù hợp nhưng lại có nhược điểm là độc hại và ăn mòn đồng cùng các hợp kim của nó Nhiệt dung riêng của nước và amôniắc lớn, dẫn đến việc không có lợi về nhiệt cho các máy lạnh hấp thụ có chu kỳ, do tổn thất nhiệt khi thay đổi chu kỳ là khá lớn Một vấn đề cơ bản trong bình sinh hơi của cặp môi chất này là lượng hơi nước cuốn theo hơi amôniắc rất lớn, gây khó khăn trong hoạt động của các máy lạnh hấp thụ.

Để tinh luyện hơi amôniắc, cần bố trí thiết bị chưng cất trước khi đưa vào bình ngưng Nhiệt độ phân hủy của hỗn hợp amôniắc và nước thấp, do đó không nên sử dụng nguồn nhiệt có nhiệt độ cao quá 160°C Thêm vào đó, do lượng nước cuốn theo nhiều, nhiệt độ gia nhiệt cho dung dịch thường không vượt quá 120°C nhằm tránh ngưng tụ hồi lưu quá mức và giảm kích thước thiết bị chưng cất.

Cặp môi chất H2O/LiBr có ưu điểm nổi bật là chỉ có nước bốc lên trong quá trình hoạt động, giúp giảm thiểu nhu cầu về thiết bị tinh luyện hơi môi chất, từ đó đơn giản hóa thiết bị Ngoài ra, nhiệt độ gia nhiệt của cặp H2O/LiBr thấp hơn nhiều so với cặp NH3/H2O, tạo ra lợi thế lớn trong việc sử dụng các nguồn nhiệt thải công nghiệp.

Nhiệt độ từ 80 đến 90 độ C có thể được sử dụng để vận hành máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr Cặp môi chất này cho phép tận dụng năng lượng mặt trời thông qua bộ thu phẳng mà không cần thiết bị gia nhiệt bổ sung Tuy nhiên, nhược điểm chính của hệ thống này là nhiệt độ dàn bay hơi không thể thấp hơn 5 độ C.

Nhiệt độ 0 °C là điểm đóng băng của nước, do đó, ứng dụng chính của môi chất lạnh này là trong hệ thống điều hòa không khí và bảo quản rau quả ở nhiệt độ tương đối cao, khoảng 10 °C.

* Cặp môi chất H2O/H2SO4: có ý nghĩa lịch sử khi Lesli sử dụng đầu tiên vào năm 1810 ở Pari Một số cặp môi chất có chất hấp thụ lỏng khác như

Môi chất lạnh như R21 và R22, cùng với các chất hấp thụ như CH3(OC2H4)4OCH3, C6H4(COOC2H5)2 và CH3COOH, hiện tại vẫn chưa được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn.

Chất hấp thụ rắn như CaCl2 và zeolit có ưu điểm là không cần thiết bị tinh cất, nhưng việc sử dụng chúng vẫn còn hạn chế Hiện nay, các nghiên cứu đang tập trung vào các cặp môi chất như NH3/CaCl2, H2O/SiO2, NH3/MgCl2 và NH3/SrCl2, nhằm ứng dụng cho các loại máy lạnh hấp thụ chu kỳ sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng phế thải.

Máy lạnh hấp thụ nước/Bromualiti (H 2 O/LiBr)

Máy lạnh hấp thụ nước/bromualiti (H2O/LiBr) được ứng dụng phổ biến nhờ vào những ưu điểm vượt trội Các sản phẩm máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr của Liên Xô nổi bật với năng suất lạnh lớn, như A < BXA 1000 đạt 1 triệu kcal/h và A < XA.

5000 (5 triệu kcal/h) Máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr có các ưu điểm chính như sau:

- Tỉ số áp suất nhỏ pk/p0 = 4 Hiệu số áp suất thấp pk – p0 = 3,6 kPa

- Không cần thiết bị tinh cất hơi môi chất vì từ dung dịch H2O/LiBr chỉ có hơi nước thoát ra từ dung dịch

Nhiệt độ nguồn nhiệt cung cấp cho bình sinh hơi có thể giảm đến 80°C, cho phép tận dụng các nguồn nhiệt thải có chi phí thấp Nếu có nguồn hơi nước với nhiệt độ cao, trước tiên có thể vận hành máy lạnh tua bin, sau đó sử dụng cho máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr.

Máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr có các nhược điểm sau:

- Tính ăn mòn của dung dịch rất cao, gây han rỉ thiết bị

- Phải duy trì chân không trong thiết bị

- Nhiệt độ làm lạnh không xuống quá được 5 0 C vì khi đó áp suất sôi p0 đã là 0,9 kPa  7 Torr

Nước làm mát Chất tải nhiệt

Chất tải lạnh Nước làm mát

Hình 1.4 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ H 2 O/LiBr

11 - Nhánh nước làm mát phụ

Máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr hoạt động theo nguyên lý như hình 1.1 Với hiệu suất và hiệu áp thấp, loại máy này được bố trí theo sơ đồ như hình 1.4.

Trong hệ thống, hai bình hình trụ 1 và 2 được thiết kế để duy trì chân không hiệu quả Bình 1 có chức năng tạo áp suất ngưng tụ, trong khi bình 2 đảm nhiệm vai trò tạo áp suất bay hơi Bên trong bình 1, dàn ngưng tụ, bộ phận sinh hơi 5 và bộ hấp thụ 6 được bố trí, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ đáng kể giữa nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ gia nhiệt Tương tự, bình 2 có sự khác biệt giữa nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ hấp thụ Hệ thống không cần cách nhiệt bổ sung, vì chân không cao trong thiết bị đã đảm bảo cách nhiệt lý tưởng.

Chất tải nhiệt được đưa vào bình sinh hơi 4 để gia nhiệt cho dung dịch đậm đặc H2O/LiBr (nhiệt độ ≥ 80 0 C) Hơi nước sinh ra bay lên trên dàn ngưng

Quá trình thải nhiệt cho nước làm mát dẫn đến sự ngưng tụ, trong khi dung dịch đậm đặc khi mất nước sẽ trở thành dung dịch loãng và được đưa trở lại dàn hấp thụ trong bình 2 Vòi phun đóng vai trò giảm áp, do đó không cần van tiết lưu đặc biệt Tuy nhiên, đôi khi cần áp dụng các biện pháp phụ để vận chuyển dung dịch loãng đến dàn hấp thụ.

Nước sau khi ngưng tụ ở dàn ngưng 3 chảy qua xi phông 10 để cân bằng áp suất và tiếp tục vào dàn bay hơi 5, nơi áp suất thấp khiến nước bay hơi và sinh lạnh Hơi nước sinh ra tại dàn bay hơi 5 được dung dịch loãng hấp thụ ở bộ phận hấp thụ 6, trong khi nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình hấp thụ được nước làm mát hấp thụ Lạnh sinh ra từ dàn bay hơi 5 được chất tải lạnh, cũng là nước, chuyển đến nơi tiêu dùng.

Dung dịch đậm đặc sau quá trình hấp thụ được bơm lên bình sinh hơi, trong khi dung dịch loãng chảy trở lại bình hấp thụ Thiết bị trao đổi nhiệt 7 nâng cao hiệu suất nhiệt bằng cách làm nguội dung dịch loãng và làm nóng dung dịch đậm đặc Để tăng hệ số trao đổi nhiệt ở bình bay hơi 5, các ống xoắn của chất tải lạnh được tưới môi chất lạnh liên tục nhờ bơm tuần hoàn 9 Khi nhiệt độ bay hơi giảm xuống 3-4 °C, nhiệt độ chất tải lạnh đạt 7-8 °C.

Nước làm mát đầu tiên đi qua bình hấp thụ trước khi đến bình ngưng, dẫn đến nhiệt độ ngưng tụ cao hơn một chút so với nhiệt độ hấp thụ Nhánh nước phụ 11 có chức năng điều chỉnh nhiệt độ ngưng tụ và hấp thụ một cách độc lập, không phụ thuộc lẫn nhau.

Trong hệ thống này, các chi tiết chuyển động chủ yếu bao gồm bơm dung dịch và bơm môi chất, yêu cầu độ kín cao và khả năng duy trì chân không tốt Đặc biệt, cần thiết phải lắp đặt bơm chân không chuyên dụng để loại bỏ khí trơ hoặc không khí khỏi hệ thống.

Năng suất lạnh của máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr có thể điều chỉnh linh hoạt xuống tối thiểu 10% năng suất tối đa Việc điều chỉnh này cho phép thay đổi lượng hơi nóng vào bình sinh hơi và đường nước làm mát Ngoài ra, có thể tái sử dụng một phần dung dịch đậm đặc thay vì bơm vào bình sinh hơi, đưa trở lại bình hấp thụ Hai phương án điều chỉnh này cũng có thể được kết hợp để tối ưu hóa hiệu suất.

Tính toán máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr có thể được thực hiện thông qua đồ thị lgP - 1/T Trong đó, áp suất bay hơi và hấp thụ trong bình 2 (hình 1.5) được xác định tại điểm cắt giữa  = 1 (kg môi chất / kg dung dịch) và nhiệt độ t0 Bên cạnh đó, áp suất ngưng tụ và sinh hơi cũng được xác định tương tự với nhiệt độ ngưng tụ tk.

Dung dịch đậm đặc thoát ra từ bình hấp thụ với nhiệt độ tk (hoặc thấp hơn một chút) và áp suất p0, trong khi nồng độ dung dịch loãng được xác định bởi nhiệt độ TH và áp suất pk Các quá trình 2 - 3 và 2 - 5 diễn ra trong bình sinh hơi, trong khi các quá trình 6 - 1 và 4 - 1 xảy ra trong bình hấp thụ Các quá trình không thay đổi nồng độ 1 - 2, 3 - 4 và 5 - 6 diễn ra trong các ống dẫn, bộ phận tiết lưu và thiết bị trao đổi nhiệt Hệ số nhiệt cực đại của máy lạnh có thể được xác định thông qua tỷ số của đoạn B trên A.

Hình 1.5 Chu trình máy lạnh hấp thụ trên đồ thị lg P – 1/T H lgP

Hệ số nhiệt (TH - Tk)/TH bao gồm hai thành phần chính: đầu tiên là hiệu suất của chu trình Carnot thuận chiều, đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của máy lạnh nhiệt sinh công Thành phần thứ hai hỗ trợ trong việc tối ưu hóa hiệu suất này.

T0/(Tk – T0) chính là hệ số lạnh của chu trình Carnot ngược chiều

Phương trình cân bằng môi chất lạnh:

Phương trình cân bằng dung dịch tuần hoàn: mr = ma + md

Trong đó: mr : Khối lượng dung dịch đậm đặc, kg/s ma : Khối lượng dung dịch loãng, kg/s md : Khối lượng môi chất lạnh, kg/s

Có thể tính md từ năng suất lạnh yêu cầu Q0 và nhiệt ẩn hóa hơi của môi chất r(t0) vì tổn thất tiết lưu không đáng kể:

Xác định chu trình máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr cho biết:

- Máy lạnh hấp thụ dùng để sản xuất nước lạnh t * 0 8 0 C cho điều hòa không khí,

- Nước làm mát vào có nhiệt độ tW1 = 30 0 C,

- Nước nóng dùng gia nhiệt bình sinh hơi chó nhiệt độ t * H 90 0 C,

- Hiệu nhiệt độ tối thiểu trong các thiết bị trao đổi nhiệt tmin = 5K,

Xác định lưu lượng môi chất lạnh và dung dịch tuần hoàn là cần thiết để đảm bảo máy lạnh hấp thụ hoạt động hiệu quả Đồng thời, cần xem xét các điều kiện cực đoan của tW1 và t*H để đảm bảo tính ổn định trong quá trình vận hành Việc này giúp duy trì khả năng hoạt động của hệ thống về mặt nhiệt động trong mọi điều kiện.

Sơ đồ nguyên lý máy lạnh được biểu diễn trên hình 1.4

Sử dụng đồ thị lgp – 1/T của dung dịch nước/Brômualiti (hình 1.5) để giải bài toán này

Từ nhiệt độ nước lạnh ra t * 0 8 0 C có thể tìm được nhiệt độ bay hơi t0 = t - t * 0 min = 3 0 C và p0 = 0,8 kPa

Tương tự : tk = tA = tu + tmin = 35 0 C và pk = 5,6 kPa

Từ điểm cắt của p0 và pk có thể xác định được nồng độ dung dịch đậm đặc

r = 0,42 kg H 2 O/kg dung dịch Từ p k và t H = t * H - tmin có thể xác định được nồng độ của dung dịch loãng a = 0,365 kg H2O/kg dung dịch Như vậy ta có vùng khử khí

Để tính toán lưu lượng tuần hoàn trong hệ thống, cần cân bằng chất ở bình hấp thụ hoặc bình sinh hơi Công thức tính lưu lượng tuần hoàn được xác định qua sự chênh lệch giữa lưu lượng nước và dung dịch, với giá trị dương là 0,055 kg H2O/kg dung dịch Đối với lưu lượng qua dàn ngưng tụ và dàn bay hơi, ký hiệu md được sử dụng để thể hiện mối quan hệ này.

rmr = ama + 1.md (cân bằng môi chất lạnh) và mp = ma + md (cân bằng dung dịch và môi chất lạnh) Lưu lượng môi chất lạnh:

0 d q m  Q , kg/s Ở đây q0 = r(t0) ; r(t0) là nhiệt ẩn hóa hơi của nước ở nhiệt độ t0 Có thể tra r(t0) ở bảng hơi nước : r(t0 = 3 0 C) = 2500 kJ/kg

 = 0,46 kg/s và ma = mr – md = 0,42 kg/s

Máy lạnh hấp thụ amôniắc/nước

Máy lạnh hấp thụ liên tục một cấp được mô tả qua sơ đồ nguyên lý trong Hình 1.1 Để nâng cao hiệu quả năng lượng, thực tế thường bố trí hai thiết bị trao đổi nhiệt cho môi chất lạnh trước và sau khi đi qua bình bay hơi, cũng như cho dung dịch trước và sau khi vào bình hấp thụ Hình 1.6 thể hiện sơ đồ hoàn chỉnh của máy lạnh hấp thụ liên tục sử dụng cặp môi chất NH3/H2O.

Trong hệ thống máy lạnh nén hơi, thiết bị trao đổi nhiệt đầu tiên có vai trò làm lạnh môi chất lỏng trước khi vào van tiết lưu, nhằm nâng cao hiệu suất lạnh Thiết bị trao đổi nhiệt thứ hai được sử dụng để thu hồi nhiệt từ dung dịch loãng ở nhiệt độ t H, giúp làm nóng dung dịch đậm đặc lạnh được bơm từ bình hấp thụ lên.

Hình 1.6 Sơ đồ máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O

Trong bình sinh hơi, thiết bị tinh luyện được bố trí để tách hơi nước khỏi hơi NH3, với NH3 vào bình ngưng được coi là nguyên chất với tỷ lệ 1 kg/kg Để tinh luyện hơi NH3, cần thiết phải lắp đặt thiết bị ngưng tụ hồi lưu QD Do đó, nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt cho bình sinh hơi QH phải lớn hơn một lượng QD so với chế độ làm việc không có ngưng tụ hồi lưu.

* Tính toán máy lạnh hấp thụ amôniắc liên tục một cấp:

Việc tính toán thuận tiện nhất là dựa vào đồ thị h -  Các điểm trạng thái theo hình 1.6 và tương ứng là hình 1.7

Hình 1.7 Đồ thị h -  biểu diễn quá trình máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O

Các số liệu cần thiết bao gồm t0, tH và tk, được lấy trực tiếp hoặc gián tiếp qua hiệu nhiệt độ của các thiết bị trao đổi nhiệt trong hệ thống sinh hơi, ngưng tụ và bay hơi Giả thiết rằng quá trình tinh luyện diễn ra cho đến khi chỉ còn hơi NH3 tinh khiết với tỷ lệ d = 1 kg/kg, trong khi bình ngưng chỉ chứa lỏng NH3 tinh khiết Từ đó, áp suất ngưng tụ có thể xác định bằng điểm cắt giữa tk và  1 kg/kg, vì đường áp suất sôi pk phải đi qua điểm cắt này (điểm 2 trên đồ thị).

19 Áp suất p0 ở bình bay hơi cũng được xác định tương tự qua điểm cắt của t0 và d

Môi chất lạnh lỏng được làm lạnh tại thiết bị trao đổi nhiệt I từ điểm 2 xuống điểm 3 Điểm 4 trùng với điểm 3 do quá trình đi qua tiết lưu entanpi không đổi Do đó, cả điểm 3 và điểm 4 đều nằm trên giao điểm của đường đẳng nhiệt t0 = t1 = t5 và đường đẳng áp p0 cùng với d.

Hiệu nhiệt độ nhỏ nhất Tmin ở thiết bị trao đổi nhiệt I nằm ở phía đầu nóng vì Cp2 > Cp5

Không thể xác định trực tiếp trên đồ thị h - , nhưng có thể tìm ra giá trị này thông qua đồ thị lgp – h từ phụ lục hoặc bằng cách tra bảng Ngoài ra, nhiệt lượng cũng có thể được tính toán bằng công thức: h6 – h5 = Cp(t6 – t5).

Trong đó t6 và t5 đã biết còn Cp = f(t, p) có thể tra đồ thị hoặc tra bảng

Tính cân bằng nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt cho phép xác định entanpi tại điểm 3, với công thức h3 = h4 = h2 + h5 = h6 Mặc dù điểm 3 và điểm 4 có entanpi bằng nhau, nhưng điểm 3 có áp suất pk, trong khi điểm 4 nằm trong vùng hơi ẩm với áp suất p0.

Trong môi trường làm việc lý tưởng, bình hấp thụ sẽ có áp suất p0 và nhiệt độ hấp thụ tA = tk Tuy nhiên, thực tế áp suất trong bình hấp thụ thường thấp hơn p0 từ 0,02 đến 0,04 MPa do tổn thất áp suất trong đường ống.

Khi nước làm mát được sử dụng song song cho bình ngưng và bình hấp thụ, nhiệt độ tA sẽ bằng nhiệt độ ngưng tụ tk Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, nước làm mát sẽ đi qua bình ngưng trước khi vào bình hấp thụ, dẫn đến tA = tk + ΔT, tức là nhiệt độ hấp thụ sẽ cao hơn nhiệt độ ngưng tụ.

Dung dịch loãng 7 với nồng độ r = f(pk, tH) ở trạng thái bão hòa ẩm sẽ thoát ra khỏi bình sinh hơi để được tiết lưu trở lại bình hấp thụ Do đó, vùng khử khí sẽ được xác định.

Với điều kiện  > 0 để thiết bị lạnh có thể hoạt động được

Bơm dung dịch đậm đặc với lưu lượng m10 = mr từ trạng thái 10 lên trạng thái 11 Vì entanpi trong trường hợp này không phụ thuộc vào áp suất do đó h10

Điểm 11 trong tính toán máy lạnh tương đương với điểm 10, và trong quá trình này, năng lượng tiêu tốn cho bơm thường được bỏ qua vì rất nhỏ, chỉ chiếm một vài phần trăm so với các nguồn năng lượng khác Năng lượng tổn thất từ bơm, biến thành nhiệt năng làm nóng dung dịch đậm đặc, cũng không được tính đến Hiệu suất của bơm dao động trong khoảng từ 0,5 đến 0,7, và để xác minh, người ta có thể tính công suất của bơm thông qua một công thức cụ thể.

Trong đó: v 10 là thể tích riêng của trạng thái 10, coi dung dịch là không nén được

Lưu lượng tuần hoàn trong hệ thống được tính như sau:

Để xác định lưu lượng tuần hoàn trong hệ thống cân bằng chất của bình sinh hơi và bình hấp thụ, ta có thể sử dụng các quy ước tính toán đơn giản Cụ thể, ta quy định: \( d_a = \frac{m_a}{m} \) và \( d_r = \frac{m_r}{m} \).

Như vậy khối lượng không thứ nguyên.m , a m , r m có đơn vị là kg/kg d môi chất vì d d d m m  m nên m = 1 Ta còn có thể xác định md d qua năng suất lạnh

Q0 đã cho và năng suất lạnh riêng q0 xác định được trong chu trình

Lưu lượng dung dịch đậm đặc và dung dịch loãng là: a r a r d m  

Entanpi của trạng thái 7 đến 12 của dung dịch tuần hoàn có thể xác định như sau: Cân bằng nhiệt của thiết bị hồi nhiệt II ta có:

Q = Cp1a.ma (t7 – t8) = Cp1r.mr(t12 – t11) Qua phương trình cân bằng nhiệt này ta có thể xác định được Tmin nằm ở đầu lạnh của hồi nhiệt vì:

Cp1a  Cp1r ; ma < mr nên (t7 – t8) > (t12 – t11) Hay:

Cân bằng nhiệt của thiết bị hồi nhiệt II ta có: ma(h7 – h8) = mr(h12 – h11) hay: a d r d r a r a 8

Chúng ta có thể xác định trạng thái 12 của dung dịch đậm đặc chảy vào bình sinh hơi thông qua phương pháp phân tích hoặc đồ thị Để áp dụng phương pháp đồ thị, cần kéo dài đường 8 - 11 trên hình 1.7 đến đường d (với d = 1) Điểm giao nhau giữa hai đường này chính là điểm 12, nơi đường thẳng a - 7 cắt đường r, biểu thị nồng độ dung dịch đậm đặc Điểm giao này có thể nằm trên, dưới hoặc trùng với đường sôi đẳng áp pk của đồ thị Sự chênh lệch nhiệt lượng sẽ được điều chỉnh trong bình sinh hơi bằng cách thay đổi nhiệt lượng gia nhiệt QH.

Đối với tất cả các điểm trạng thái cần thiết, chúng ta đã xác định được các thông số như áp suất, nồng độ, entanpi và nhiệt độ Cần lưu ý rằng, để xác định các điểm không nằm trên đường sôi và đường ngưng, ít nhất ba trong bốn thông số này là bắt buộc phải biết.

Nếu cân bằng nhiệt toàn thiết bị khi bỏ qua công suất bơm NB ta có:

Q 0 + Q H = Q k + Q A + Q D ; kJ/h Năng suất lạnh riêng của môi chất lạnh là: q0 = h5 – h4 ; kJ/kg Năng suất nhiệt riêng ngưng tụ được tính tương tự: qk = h1 – h2 ; kJ/kg

Ta cũng có thể xác định q0 và qk một cách dễ dàng trên đồ thị h - 

Cân bằng nhiệt của bình hấp thụ ta có: m6.h6 + ma.h9 = QA + mr.h10, kJ/h

22 Ở đây m6 = md là lưu lượng môi chất lạnh tuần hoàn trong hệ thống Nếu chia phương trình cho md ta có: r 10 d

Gọi qA,D là nhiệt lượng hấp thụ riêng cho 1 kg môi chất lạnh ta có:

Trên đồ thị, đường thẳng 8-6 biểu diễn quá trình hấp thụ nhiệt Đoạn thẳng b-10 trên trục r song song với trục tung tương ứng với qA,r = QA/mr Khi lấy qA,D = QA/md làm chuẩn, đoạn 6-a trên đường d thể hiện nhiệt lượng hấp thụ riêng qA,D, với ký hiệu D chỉ rõ nhiệt lượng này được chuẩn theo 1 kg môi chất lạnh Ký hiệu đơn giản là qA, trong khi ký hiệu phụ r thể hiện nhiệt lượng chuẩn theo 1 kg dung dịch đậm đặc, ví dụ như qA,r.

Máy lạnh hấp thụ hai và nhiều cấp

Máy lạnh hấp thụ yêu cầu điều kiện vùng khử khí dương (Δξ > 0) để duy trì hoạt động hiệu quả Nếu tỷ số nhiệt quá nhỏ, việc sử dụng máy lạnh hấp thụ hai hoặc nhiều cấp là cần thiết Đối với máy lạnh hấp thụ một cấp, các thông số tk, t0 và tH có giá trị giới hạn không thể vượt qua, điều này được thể hiện rõ trên đồ thị lgp – (1/T).

Chu trình máy lạnh một cấp bình thường bao gồm quá trình sinh hơi 4 – 1

Quá trình hấp thụ diễn ra qua các điểm 6, 5, 4, và điểm 2 là ngưng tụ, trong khi điểm 3 đại diện cho quá trình bay hơi Khi giữ nhiệt độ gia nhiệt tH ổn định và tăng tk, dịch chuyển dần về phía trái, dẫn đến việc giảm r, và khi nhiệt độ ngưng tụ đạt đến điểm 2’, điểm 1’ và 6’ sẽ trùng nhau Tại thời điểm này, nồng độ dung dịch đậm đặc và dung dịch loãng sẽ bằng nhau, với vùng khử khí bằng không, xác định p’k và t’k là giới hạn áp suất và nhiệt độ ngưng tụ Tương tự, khi giữ tH không đổi và giảm tk xuống t”0, nồng độ dung dịch đậm đặc sẽ tiến gần đến nồng độ dung dịch loãng, với vùng khử khí vẫn bằng không, xác định t”0 là giới hạn nhiệt độ bay hơi.

Dựa vào phương pháp tính toán, có thể xây dựng đồ thị nhiệt độ giới hạn cho máy lạnh hấp thụ một cấp, với cặp môi chất NH3/H2O như thể hiện trong hình 1.17 Các đường nhiệt độ giới hạn được xác định dựa trên giả thiết vùng khử khí Δξ = 0, các quá trình hấp thụ, sinh hơi và chưng luyện hoàn hảo, cùng với các quá trình trao đổi nhiệt thuận nghịch Nhiệt độ giới hạn này là cực tiểu (t0 và tH) hoặc cực đại (tk), tuy nhiên trong các chu trình thực tế, cần điều chỉnh khoảng ±10 đến ±20K tùy theo chất lượng thiết bị Chẳng hạn, với nhiệt độ gia nhiệt tH = 100°C, nhiệt độ ngưng tụ tk = 40°C, ta chỉ có thể đạt được nhiệt độ t0 từ -2 đến -8°C thay vì -12°C Để đạt được nhiệt độ thấp hơn, cần sử dụng máy lạnh hấp thụ hai hoặc nhiều cấp.

Các phương pháp lắp ghép các cấp của máy lạnh hấp thụ tương tự như máy lạnh nén hơi, tuy nhiên, việc ghép tầng rất ít được áp dụng trong máy lạnh hấp thụ Ngoài ra, có thể kết hợp máy lạnh hấp thụ với máy lạnh nén hơi hoặc giữa các máy lạnh hấp thụ với nhau để đạt được nhiệt độ thấp hơn Phương pháp lắp ghép máy lạnh 2 cấp đơn giản nhất được minh họa trong hình 1.19.

Chu trình này bao gồm hai bình sinh hơi và hai bình hấp thụ, tương ứng với hai cấp áp suất thấp và cao, là SHC, SHT và HTT, HTC Hơi môi chất được tạo ra tại bình sinh hơi cao áp.

SHC được đưa vào dàn ngưng tụ, hơi môi chất sinh ra ở bình sinh hơi thấp áp

SHT được đưa vào bình hấp thụ cao áp HTC Bình hấp thụ thấp áp HTT hấp thụ

Hình 1.18 - Giá trị giới hạn của máy lạnh hấp thụ một cấp trên đồ thị lp – 1/T

Môi chất đi ra từ bình bay hơi qua ba thiết bị hồi nhiệt HN1, HN2, HN3, giúp tăng hiệu suất nhiệt cho chu trình lạnh Khi chỉ có một tiết lưu và một chế độ bay hơi, môi chất từ bình ngưng tụ sẽ đi thẳng tới HN1 qua tiết lưu và vào dàn bay hơi Nếu có hai chế độ bay hơi, cần hai van tiết lưu; môi chất lỏng qua van tiết lưu thứ nhất vào bình trung gian với áp suất trung gian, từ đó một phần lỏng bay hơi ở bình bay hơi nhiệt độ cao và được dẫn vào bình hấp thụ cao áp Phần lỏng còn lại tiếp tục qua HN1 và van tiết lưu 2 để bay hơi ở dàn bay hơi có nhiệt độ thấp hơn Sơ đồ này thường tách một phần lỏng từ bình trung gian để thực hiện ngưng tụ hồi lưu ở bình sinh hơi áp thấp Bình ngưng và bình sinh hơi cao áp có áp suất cao pk, trong khi bình hấp thụ thấp áp và bình bay hơi nhiệt độ thấp có áp suất thấp p0 Các thiết bị như bình trung gian, bình bay hơi nhiệt độ cao, bình sinh hơi thấp áp, và bình hấp thụ cao áp có áp suất trung gian ptg, thường được tính chọn sao cho tỷ số nhiệt đạt cực đại.

Hình 1.19 - Sơ đồ ghép nối máy lạnh hấp thụ hai cấp Một tiết lưu và một cấp nhiệt độ bay hơi

Hai tiết lưu, hai cấp nhiệt độ bay hơi, có ngưng tụ hồi lưu cho bình sinh hơi cấp hạ áp

Máy lạnh hấp thụ khuếch tán

Có hai loại máy lạnh hấp thụ khuếch tán, trong đó máy lạnh hấp thụ khuếch tán của Mauri, Thụy Điển, được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp với công suất lớn Máy này có khả năng điều chỉnh nhiệt độ sôi để hạ thấp nhiệt độ không khí dần dần đến mức yêu cầu, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động Đặc biệt, máy lạnh hấp thụ khuếch tán công suất lớn vẫn sử dụng bơm dung dịch như một chi tiết chuyển động quan trọng.

Hiện nay, khi nhắc đến máy lạnh hấp thụ khuếch tán, người ta thường nghĩ đến tủ lạnh hấp thụ gia đình với công suất lạnh nhỏ Sự phát triển của loại máy lạnh này bắt nguồn từ ý tưởng chế tạo một thiết bị hoàn toàn không có chuyển động Để đạt được điều này, cần sử dụng một loại khí trơ được nạp vào hệ thống nhằm cân bằng áp suất bay hơi với phần ngưng tụ và sinh hơi.

Sự tuần hoàn dung dịch trong hệ thống được thực hiện nhờ bơm xiphông, do sự chênh lệch nhiệt độ dẫn đến khác biệt về khối lượng riêng và độ chênh cột lỏng Ban đầu, nitơ được sử dụng làm khí trơ nhưng không thành công vì có khối lượng phân tử gần bằng amoniắc Hiện nay, hyđrô được ưa chuộng hơn vì có tính khuếch tán tốt và khối lượng phân tử nhỏ hơn amoniắc Dưới cùng áp suất và nhiệt độ, amoniắc có xu hướng lắng xuống trong khi hyđrô lại chuyển động lên, nhờ vào sự khác biệt về tỷ trọng Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc tuần hoàn chất trong hệ thống và là lý do thử nghiệm thành công với hyđrô để cân bằng áp suất của hai kỹ sư Thụy Điển, Platen và Munter.

Máy lạnh hấp thụ khuếch tán có 3 vòng tuần hoàn:

1 - Vòng tuần hoàn thứ nhất: Vòng tuần hoàn môi chất lạnh amôniăc

Môi chất lạnh từ bình sinh hơi được đưa vào dàn ngưng, nơi nó ngưng tụ và chảy vào dàn bay hơi hay còn gọi là dàn khuếch tán Hơi NH3 khuếch tán vào khí H2 từ áp suất riêng phần bằng không đến áp suất tương ứng với nhiệt độ buồng lạnh, sau đó hỗn hợp NH3 + H2 nặng hơn sẽ lắng dần về dàn hấp thụ Sau khi NH3 được hấp thụ, dung dịch trở nên đậm đặc và được bơm trở lại bình sinh hơi bằng xiphông.

2 - Vòng tuần hoàn thứ 2: là vòng tuần hoàn của dung dịch

Vòng tuần hoàn trong hệ thống máy lạnh hoạt động tương tự như một quá trình hấp thụ thông thường Dung dịch đậm đặc được bơm từ dàn hấp thụ vào bình sinh hơi, sau đó, dung dịch này sinh ra hơi amôniăc và chuyển đổi thành dung dịch loãng.

Do chênh lệch cột lỏng dung loãng tự chảy về dàn hấp thụ

3 - Vòng tuần hoàn 3: Vòng tuần hoàn của hyđrô

Khí hyđrô trong dàn khuếch tán di chuyển dần về dàn hấp thụ, nơi hơi NH3 được dung dịch hấp thụ Khi lượng hơi NH3 giảm, hỗn hợp trở nên nhẹ hơn và di chuyển lên đỉnh dàn hấp thụ Khi hơi NH3 đã hết, hyđrô sẽ trở lại dàn bay hơi Bình chứa hyđrô đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng áp suất khi nhiệt độ bên ngoài thay đổi.

Trong máy lạnh hấp thụ khuếch tán, có hai thiết bị hồi nhiệt được bố trí, một thiết bị cho NH3 và H2 vào và ra khỏi dàn bay hơi, và một thiết bị cho dung dịch loãng và dung dịch đậm đặc vào và ra khỏi bình sinh hơi Bơm xiphông hoạt động dựa trên nguyên tắc thay đổi tỷ trọng, giúp dung dịch được đốt nóng tạo ra những giọt hơi nhỏ Bọt hơi này có tác dụng kéo theo cả lỏng chảy vào bình sinh hơi.

Trong thực tế người ta không thể đạt được các vòng tuần hoàn lý tưởng

Trong dàn ngưng lý thuyết, mặc dù không có hyđrô, thực tế vẫn tồn tại một lượng nhỏ hyđrô Khi ra khỏi dàn hấp thụ, hơi hyđrô thu được có thể được coi là tinh khiết, nhưng thực tế vẫn có sự hiện diện của hơi amôniăc và nước Tuy nhiên, những yếu tố này có thể được bỏ qua trong quá trình tính toán.

Hình 1.20 – Sơ đồ nguyên lý hệ thống máy lạnh hấp thụ khuếch tán

1 - Đèn; 2 - Xiphông; 3 - Bình sinh hơi; 4 - Ngưng tụ hồi lưu; 5 - Dàn ngưng;

6 - Bình chứa H 2 ; 7 - Dàn bay hơi; 8 - Buồng lạnh; 9 - Hồi nhiệt dòng hơi;

10 - Dàn hấp thụ; 11 - Bình chứa dung dịch; 12 - Hồi nhiệt dung dịch lỏng

Máy lạnh hấp thụ chu kỳ

Máy lạnh hấp thụ chu kỳ là loại máy lạnh đơn giản làm việc gián đoạn

Máy lạnh hấp thụ có hệ số nhiệt nhỏ và khó tự động hóa, nên thường không được áp dụng rộng rãi, ngoại trừ trong các hệ thống kết hợp với năng lượng mặt trời hoặc nhiệt thải từ công nghiệp.

Hình 1.21 mô tả thiết bị lạnh chu kỳ của Carré (Pháp) từ giữa thế kỷ 19, sử dụng cặp môi chất NH3 và H2O Thiết bị gồm hai bình chứa kết nối bằng ống, với bình 1 chứa dung dịch đậm đặc và hoạt động như bình sinh hơi và hấp thụ, trong khi bình 2 là bình ngưng tụ và bay hơi Trong chu kỳ đốt nóng, bình 1 được gia nhiệt bằng đèn, trong khi bình 2 được làm mát bằng nước, dẫn đến sự ngưng tụ của hơi amôniăc tại bình 2 Khi chuyển sang chu kỳ làm lạnh, bình 1 được làm mát và trở thành bình hấp thụ, trong khi bình 2 trở thành bình bay hơi, thu nhiệt từ môi trường hoặc chất tải lạnh Nhờ thiết kế ống nối sâu giữa các bình, NH3 lỏng không thoát về bình hấp thụ, chỉ có hơi NH3 thoát ra, giúp tăng tốc độ hấp thụ trong chu kỳ làm lạnh.

Bình 1, với chức năng đốt nóng và làm lạnh, được gọi là bình hấp thụ - sinh hơi, trong khi bình 2 được biết đến là bình bay hơi - ngưng tụ.

Máy lạnh hấp thụ chu kỳ dùng chất hấp thụ lỏng có một số nhược điểm cơ bản là:

Máy lạnh hấp thụ chu kỳ hoạt động dựa trên hai chu kỳ chính: chu kỳ đốt nóng và chu kỳ làm lạnh Trong chu kỳ đốt nóng, các quá trình sinh hơi, ngưng tụ và sử dụng nước làm mát diễn ra, cùng với sự tham gia của đèn cồn Ngược lại, chu kỳ làm lạnh bao gồm các giai đoạn hấp thụ, bay hơi, sử dụng nước làm mát và hoạt động của buồng lạnh.

- Do đặc điểm vận hành nên khó tự động hóa chu trình

- Nước bị tích tụ lại ở dàn bay hơi sau nhiều chu kỳ làm việc

- Có nguy cơ gây nổ nếu quên chuyển chu kỳ đốt nóng sang chu kỳ làm lạnh

- Khó bố trí đường hơi sục vào dung dịch ở chu kỳ làm lạnh Ở trên người ta phải lật toàn bộ thiết bị

Máy lạnh hấp thụ chu kỳ hiện nay có khả năng giải quyết các vấn đề như nguy cơ nổ, bố trí đường hơi, sự tích tụ nước trong dàn bay hơi và tự động hóa Việc sử dụng các chất hấp thụ rắn cũng giúp khắc phục một số nhược điểm này.

Hình 1.22 giới thiệu máy lạnh chu kỳ đơn giản của Normelli (Thụy Điển) do hãng Simens chế tạo

Máy lạnh này sử dụng cặp môi chất NH3/CaCl2, giúp loại trừ nguy cơ nổ khi kéo dài chu kỳ đốt nóng và sự tích tụ dung dịch ở dàn bay hơi Dây đốt điện trong bình sinh hơi - hấp thụ có nhiệm vụ gia nhiệt cho liên kết hóa học CaCl2 (2…8) NH3 để sinh hơi NH3 Hơi NH3 sinh ra sẽ đi vào dàn ngưng tụ không khí, sau đó ngưng tụ và được chứa vào bình chứa Trong chu kỳ làm lạnh, mạch điện cấp cho bình sinh hơi - hấp thụ sẽ được ngắt, và nhiệt hấp thụ sẽ được thải ra cho không khí làm mát qua cánh tỏa nhiệt Tuy nhiên, nhược điểm về mặt năng lượng của máy lạnh là nhiệt cấp cho bình sinh hơi trong chu kỳ đốt nóng sẽ bị tổn thất ra môi trường qua cánh tản.

Hình 1.22 - Nguyên tắc tủ lạnh Protos của Normeli

1 - Bình sinh hơi - hấp thụ

6 - Vỏ cách nhiệt tủ lạnh

Trong quá trình hoạt động, hơi lạnh sôi trong dàn bay hơi sẽ được cánh tản nhiệt dàn ngưng làm nóng lên trước khi vào bình hấp thụ Tuy nhiên, để máy lạnh có cấu trúc đơn giản như hình vẽ, chúng ta cần chấp nhận những nhược điểm đi kèm.

* Các bước và cách thức thực hiện công việc:

1 THIẾT BỊ, DỤNG CỤ, VẬT TƯ:

(Mỗi học sinh phải trang bị)

TT Loại trang thiết bị Số lượng

1 Giấy vở học sinh, bút viết 1quyển, chiếc

3 Giáo trình: Hệ thống máy lạnh khác 1 cuốn

TT Tên các bước công việc

Thiết bị - dụng cụ, vật tư

Tiêu chuẩn thực hiện công việc

Lỗi thường gặp, cách khắc phục

1 Đại cương Giấy vở học sinh, bút viết, máy tính, giáo trình

Trình bày được sự ra đời của máy lạnh hấp thụ, các ưu nhược điểm của nó

Trình bày chưa đủ các ưu nhược điểm

Giấy vở học sinh, bút viết, máy tính, giáo trình

- Trình bày được nguyên tắc làm việc của máy lạnh hấp thụ

- So sánh được các ưu nhược điểm của máy lạnh hấp thụ so với máy lạnh nén hơi

So sánh không hết các ưu nhược điểm

Môi chất dùng trong máy lạnh hấp thụ

- Trình bày được các tính chất của cặp môi chất sử dụng trong máy lạnh hấp phụ, hấp phụ

- Tra thành thạo các loại đồ thị của các cặp môi chất này

Tra sai các thông số trên đồ thị

Không biểu diễn được chu trình trên đồ thị

Máy lạnh hấp thụ nước/Bromualit i (H2O/LiBr)

-Trình bày được nguyên tắc hoạt động của chu trình

- Vẽ được đồ thị chu trình

- Giải được một số dạng bài tập liên quan đến chu trình

Máy lạnh hấp thụ amôniắc/nước

- Giải được một số dạng bài tập liên quan đến chu trình

Máy lạnh hấp thụ hai và nhiều cấp

- Vẽ được sơ đồ nguyên lý máy lạnh

Vẽ sai sơ đồ nguyên lý

Trình bày chưa đủ nguyên tắc hoạt động

Máy lạnh hấp thụ khuếch tán

Máy lạnh hấp thụ chu kỳ:

3 Môi chất dùng trong máy lạnh hấp thụ

4 Máy lạnh hấp thụ nước/Bromualiti (H2O/LiBr)

5 Máy lạnh hấp thụ amôniắc/nước

6 Máy lạnh hấp thụ hai và nhiều cấp

7 Máy lạnh hấp thụ khuếch tán

8 Máy lạnh hấp thụ chu kỳ:

* Bài tập thực hành của học sinh, sinh viên

Bài 1: Xác định chu trình máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr cho biết:

- Máy lạnh hấp thụ dùng để sản xuất nước lạnh t * 0 8 0 C cho điều hòa không khí,

- Nước làm mát vào có nhiệt độ t W1 = 30 0 C,

- Nước nóng dùng gia nhiệt bình sinh hơi chó nhiệt độ t * H 90 0 C,

- Hiệu nhiệt độ tối thiểu trong các thiết bị trao đổi nhiệt tmin = 5K,

Xác định lưu lượng môi chất lạnh và dung dịch tuần hoàn là rất quan trọng, cùng với việc xem xét các điều kiện cực đoan của tW1 và t*H Điều này giúp đảm bảo máy lạnh hấp thụ vẫn hoạt động hiệu quả về mặt nhiệt động trong các điều kiện tương tự.

Bài 2: Cho máy lạnh hấp thụ NH3/H2O có nhiệt độ gia nhiệt tH = 100 0 C với dòng nhiệt cấp công suất QH = 1 MW Hãy xác định năng suất lạnh của máy lạnh trong 2 trường hợp a) t0 = 5 0 C b) t0 = -30 0 C

Nhiệt độ ngưng tụ trong cả hai trường hợp là tK = 25 0 C và hiệu suất exergi

Bài 3: Cho biết máy lạnh hấp thụ NH 3 /H 2 O vận hành với t H = 130 0 C, nhiệt độ ngưng tụ tk = 30 0 C, nhiệt độ bay hơi t0 = -15 0 C Giả sử quá trình chưng cất làm

37 việc hoàn thiện tới d = 1 kg/kg và nhiệt độ nước làm mát cho dàn ngưng tụ, dàn hấp thụ và dàn ngưng phụ là giống nhau

Để xác định chế độ làm việc của các thiết bị cao áp và hạ áp, cần giả định rằng các chế độ này hoạt động mà không có tổn thất Đồng thời, cũng cần xem xét nồng độ của dung dịch trong hai trạng thái: dung dịch đậm đặc và dung dịch loãng.

Bài 4: Xác định thông số các điểm nút cho máy lạnh hấp thụ NH3/H2O hình 1.6, chu trình được biểu diễn trên hình 1.17 cho biết:

- Tháp tinh luyện làm việc hoàn thiện đến d = 1 kg/kg

- Nhiệt độ nước làm mát cho dàn ngưng, dàn hấp thụ và dàn ngưng phụ là giống nhau

- Các hồi nhiệt I và II tính toán với tmin = 5K

Bài 5: Máy lạnh êjectơ hơi nước dùng để làm lạnh nước cung cấp cho các hệ thống điều hòa không khí có công suất lạnh Q0 = 350 kW Nhiệt độ nước lạnh ra khỏi thiết bị bay hơi t0 = 5 0 C, nhiệt độ nước làm mát vào thiết bị ngưng tụ tw1 23 0 C Hơi sử dụng là hơi nước bão hòa khô lấy từ lò hơi có hiệu suất  = 80%, áp suất pH = 5bar Xác định các thông số nhiệt động cơ bản của máy lạnh và trình bày chu trình hoạt động trên đồ thị h – s

3 Thực hiện qui trình tổng quát và cụ thể

* Yêu cầu về đánh giá kết quả học tập:

Mục tiêu Nội dung Điểm

Vẽ đúng sơ đồ nguyên lý và đồ thị của chu trình Thuyết minh đúng nguyên tắc hoạt động

Giải được các bài tập

Phân tích được các ưu nhược điểm của từng chu trình

So sánh được ưu nhược điểm giữa các chu trình với nhau

Biểu diễn quá trình và tra thành thạo các thông sốtrên đồ thị

Thái độ - Cẩn thận, lắng nghe, ghi chép, từ tốn, nghiêm túc, cẩn thận, tỷ mỉ, thực hiện tốt vệ sinh công nghiệp 2

1 - Tính chất của các cặp môi chất

2 - Biểu diễn các thông số trên đồ thị

3 - Sơ đồ nguyên lý và đồ thị biểu diễn chu trình

4 - Nguyên tắc hoạt động của các chu trình

5 - Các phương pháp giải bài tập liên quan đến các chu trình

Giảng viên thực hiện kiểm tra 1 tiết cả lý thuyết và bài tập

Thiết bị lạnh dùng năng lượng mặt trời

Khái niệm

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô tận, được sử dụng từ lâu trong các ứng dụng như làm lạnh và điều hòa không khí Hệ thống này rất phù hợp cho các vùng xa xôi ở các nước đang phát triển, nơi không có lưới điện quốc gia và giá nhiên liệu cao Máy lạnh hoạt động nhờ pin mặt trời (photovoltaic) là lựa chọn thuận tiện, nhưng chi phí pin mặt trời hiện nay còn cao Ngoài ra, năng lượng mặt trời cũng được sử dụng dưới dạng nhiệt năng cho máy lạnh hấp thụ, tuy nhiên, các hệ thống này chưa được thương mại hóa rộng rãi do chi phí chế tạo cao và hiệu suất làm việc thấp Một số nhà khoa học đang nghiên cứu tối ưu hóa bộ thu năng lượng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng có gương phản xạ để ứng dụng trong kỹ thuật lạnh, nhưng yêu cầu về diện tích lắp đặt vẫn còn lớn.

Máy lạnh hấp thụ năng lượng mặt trời được chia thành hai loại chính: loại sử dụng chất hấp phụ rắn như than hoạt tính và silicagel, và loại sử dụng các cặp môi chất hấp thụ lỏng như NH3/H2O.

Máy lạnh hấp phụ rắn dùng năng lượng mặt trời

Việc lựa chọn vật liệu hấp phụ và môi chất lạnh trong máy lạnh hấp phụ là rất quan trọng Vật liệu hấp phụ thường là các hạt có kích thước từ 6 đến 12 mm với độ rỗng lớn, nhờ vào các mao quản li ti bên trong Đường kính mao quản cần lớn hơn một chút so với đường kính phân tử của chất bị hấp phụ để đạt hiệu quả tốt Với nhiều mao quản, bề mặt tiếp xúc của vật liệu rất lớn, ví dụ như than hoạt tính có bề mặt hiệu quả lên đến 1500 m²/g Ngoài bề mặt, vật liệu hấp phụ còn cần có các tính chất hóa học phù hợp, như than hoạt tính có ái lực mạnh với hydrocarbon, trong khi silicagel lại hút nước hiệu quả Cả than hoạt tính và silicagel đều có khả năng hồi phục tốt, do đó vật liệu hấp phụ cần đáp ứng các yêu cầu này.

+ Có khả năng hấp phụ cao tức là hút được một lượng lớn các khí cần khử từ pha khí

+ Phạm vi hấp phụ rộng, khử được nhiều loại khí khác nhau

+ Có độ bền cơ học cần thiết

+ Có khả năng hoàn nguyên dễ dàng

Hiện nay có hai loại vật liệu hấp phụ phổ biến là than hoạt tính và silicagel

Than hoạt tính được sản xuất từ các nguyên liệu chứa cacbon như gỗ, than bùn và xương động vật, và nổi bật với khả năng hấp phụ hiệu quả, chủ yếu được sử dụng trong việc thu hồi dung môi hữu cơ và làm sạch khí Tuy nhiên, than hoạt tính có nhược điểm dễ cháy ở nhiệt độ cao, không nên sử dụng ở nhiệt độ vượt quá 200°C Để khắc phục nhược điểm này, người ta thường trộn silicagel với than hoạt tính, nhưng điều này lại làm giảm hiệu quả hấp phụ của than Với cấu trúc mao quản đặc trưng, than hoạt tính có khả năng hấp thụ nhiều loại chất khác nhau.

- Hơi axít, metanol, benzen, toluen etylaxetat với mức độ hấp thụ bằng 50% trọng lượng bản thân

- Axeton, acrolein, Cl, H2S với mức độ 10 đến 25%

- CO2, etylen mức độ thấp

Silicagel là sản phẩm của axit silic kết tủa khi tương tác với H2SO4 hoặc HCl, hoặc từ muối của chúng với silicat natri Sau khi được rửa sạch, silicagel được sấy ở nhiệt độ từ 115 đến 130 độ C cho đến khi đạt độ ẩm 5 đến 7% Hạt silicagel có kích thước từ 0,2 đến 0,7 mm và có bề mặt hấp phụ lên đến 600 m2/g Chức năng chính của silicagel là sấy khí, giúp hút hơi nước trong hỗn hợp khí.

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của các chất hấp phụ thông dụng:

Khối lượng đơn vị đổ đống, kg/m 2 Đường kính lỗ rỗng, m

Thể tích lỗ rỗng tổng cộng, cm 3 /g

Metanol (CH3OH) là một loại rượu metylic không màu, độc hại và dễ cháy, thường được sử dụng làm chất bị hấp phụ Khi pha với nước, metanol tạo thành dung dịch có mùi cồn đặc trưng Chất này được sản xuất thông qua phương pháp tổng hợp xúc tác ở áp suất cao (250 bar, 380 độ C) từ cacbon monoôxit và hyđrô.

- Ưu điểm: Không ăn mòn kim loại chế tạo máy

- Nhược điểm: Đắt tiền, dễ bay hơi, tổn thất vào không khí khi hệ thống không hoạt động và dễ cháy, nổ, độc hại với cơ thể con người

Trong máy lạnh hấp phụ dùng năng lượng mặt trời người ta thường dùng cặp môi chất là than hoạt tính và metanol.

Cấu tạo thiết bị máy lạnh hấp phụ

Hệ thống kết hợp gồm hai phần: hệ thống đun nước sử dụng năng lượng mặt trời và hệ thống làm lạnh kiểu hấp thụ Hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng collector kiểu ống với gương parbolic, giúp đạt nhiệt độ từ 80°C đến 90°C Máy lạnh hoạt động dựa trên chất hấp phụ rắn gián tiếp, trong đó năng lượng mặt trời làm nóng môi chất trung gian là nước, và nước nóng cung cấp nhiệt cho bộ hấp phụ Chất hấp phụ được sử dụng là than hoạt tính, trong khi môi chất lạnh là methanol.

Hệ thống máy lạnh hấp phụ rắn sử dụng năng lượng mặt trời hoạt động theo hai giai đoạn Giai đoạn đầu tiên diễn ra vào ban ngày, khi môi chất bay hơi và ngưng tụ Giai đoạn thứ hai xảy ra vào ban đêm, trong đó quá trình bay hơi và hấp thụ được thực hiện để tạo ra hiệu ứng làm lạnh.

* Giai đoạn bay hơi - ngưng tụ môi chất vào ban ngày:

Collector (2) hấp thụ năng lượng mặt trời để làm nóng nước, dẫn đến việc tăng nhiệt độ nước trong bình chứa (11) và bộ hấp phụ (4) Khi nhiệt độ môi chất trong bộ hấp phụ đạt đến nhiệt độ bay hơi Tg1, môi chất sẽ thoát ra, làm tăng áp suất trong hệ thống lên đến áp suất ngưng tụ pk Hơi môi chất này sau đó đi vào dàn ngưng (7), nơi nó thải nhiệt ra môi trường không khí và ngưng tụ, chảy vào bình chứa môi chất (10) Nhiệt độ của nước và bộ phận hấp thụ tiếp tục tăng do nhận nhiệt từ bức xạ mặt trời, đạt đến nhiệt độ cực đại Tg2 khoảng 80°C đến 90°C Mặc dù lượng bức xạ giảm dần vào buổi chiều, nhưng nhiệt độ nước trong bình (11) vẫn cao Đến cuối chiều, môi chất trong bộ hấp phụ (4) đã bay hơi và ngưng tụ hết vào bình chứa (10), lúc này van chặn (6) được khóa lại.

Hình 2.1 - Sơ đồ nguyên lý hệ thống máy lạnh hấp phụ rắn sử dụng NLMT

* Giai đoạn thứ hai bay hơi - hấp thụ thực hiện quá trình làm lạnh vào ban đêm:

Vào ban đêm, toàn bộ nước nóng trong bình chứa (11) được xả ra hoặc chuyển sang bình chứa khác, sau đó được cấp nước lạnh qua đường (5) để làm lạnh bộ phận hấp thụ (4) Nhiệt độ của bộ hấp thụ giảm đột ngột từ Tg2 xuống Ta1, dẫn đến áp suất giảm xuống áp suất bay hơi p0 Van (6) mở ra, bắt đầu quá trình bay hơi của môi chất trong dàn bay hơi (9) và làm lạnh buồng lạnh (8), trong khi hơi môi chất được hấp phụ bởi than hoạt tính trong bộ hấp thụ (4) Quá trình bay hơi diễn ra liên tục cho đến khi môi chất trong bình chứa (10) bay hơi hoàn toàn Mặc dù quá trình hấp phụ thải nhiệt làm tăng nhiệt độ nước lạnh từ T0 đến Ta2, nhưng tác động này không lớn và có thể cải thiện hiệu suất của thiết bị hấp thụ làm mát kiểu đối lưu tự nhiên Quá trình làm lạnh tiếp tục diễn ra suốt đêm cho đến khi bộ thu có thể hấp thụ nhiệt từ bức xạ mặt trời vào ngày hôm sau, và chu trình này lặp lại.

Chu trình nhiệt động của máy lạnh có thể biểu diễn trên đồ thị p – T như hình 2.2:

+ Quá trình 1-2: Cấp nhiệt đẳng khối lượng Nhiệt độ và áp suất của hệ thống tăng do nhận nhiệt từ bộ hấp thụ

+ Quá trình 2-3: Quá trình ngưng tụ Metanol bắt đầu tách ra khỏi than hoạt tính và ngưng tụ trong dàn ngưng rồi chảy xuống bình chứa

Quá trình 3-4 diễn ra trong điều kiện làm mát đẳng khối lượng, khi bức xạ mặt trời giảm Bộ hấp thụ được làm mát nhờ nước lạnh, dẫn đến sự giảm nhiệt độ và áp suất của hệ thống.

Hình 2.2 - Đồ thị p - T của máy lạnh hấp phụ rắn sử dụng NLMT

Quá trình 4-1 bao gồm hai bước chính: bay hơi và hấp thụ Trong giai đoạn bay hơi, môi chất sẽ bay hơi trong dàn bay hơi nhiệt của vật cần làm lạnh Sau đó, môi chất này sẽ được than hoạt tính hút vào bộ hấp thụ để hoàn tất quá trình.

Tính toán nhiệt

2.4.1 Tính toán nhiệt cho dàn bay hơi

Tính toán nhiệt chính là để xác định công suất lạnh cần thiết cung cấp cho dàn bay hơi và lượng môi chất cần thiết nạp vào hệ thống

Công suất lạnh của thiết bị bay hơi được xác định bằng công thức:

Q1 - Dòng nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che của thiết bị, W

Q2 - Dòng nhiệt do đông đá và làm lạnh khuôn (nếu hệ thống làm đá), W Dòng nhiệt qua kết cấu bao che Q1

Nhiệt truyền qua kết cấu bao che diễn ra qua ba phương thức chính: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ Trong quá trình làm lạnh diễn ra vào ban đêm, khi mặt trời lặn, nhiệt tổn thất do bức xạ sẽ bằng 0.

Vậy tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che Q1 được xác định bằng công thức sau:

Trong đó: k - hệ số truyền nhiệt qua kết cấu bao che , W/m 2 K

1, 2 - Hệ số tỏa nhiệt đối lưu trên bề mặt vách , W/m 2 K

i - Chiều dày lớp vật liệu thứ i , m

i - Hệ số dẫn nhiệt lớp vật liệu thứ i , m

F - Diện tích cảu kết cấu bao che , m 2

t - Độ chênh nhiệt độ giữa môi trường bên trong và bên ngoài, K

Tổn thất nhiệt do làm đông đá và làm lạnh khuôn Q2: τ

Q đ - Tổn thất nhiệt do làm đông đá, W

Q kh - Tổn thất nhiệt do làm lạnh khuôn, W

G - Năng suất làm đá, kg

 - Thời gian làm đông đá, s q 0 - nhiệt lượng cần làm lạnh 1 kg nước từ nhiệt độ ban đầu đến khi đông đá hoàn toàn, J/kg

M - Tổng khối lượng khuôn, kg

Ckh - Nhiệt dung riêng của khuôn, J/kg tk1 - Nhiệt độ khuôn lúc ban đầu, tk2 - Nhiệt độ khuôn lúc đã đông đá hoàn toàn lấy bằng -13 0

Vậy năng suất lạnh của hệ thống được xác định bằng công thức: b

Hệ số k được sử dụng để tính đến tổn thất trên đường ống và thiết bị trong hệ thống lạnh, với giá trị k = 1,05 khi nhiệt độ bay hơi t0 = -15°C Hệ số b, đại diện cho thời gian làm việc của hệ thống, được chọn là b = 0,7 cho các hệ thống lạnh nhỏ.

Nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho dàn bay hơi trong suất thời gian làm việc của hệ thống:

Q’ = Q0., J Lượng methanol cần cung cấp là: r

Trong đó: r - Nhiệt ẩn hóa hơi của methanol, J/kg

2.4.2 Tính toán nhiệt thiết bị ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ cho máy lạnh hấp thụ năng lượng mặt trời thường là dàn ngưng có cánh tản nhiệt, hoạt động dựa trên nguyên lý trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên với không khí xung quanh Điều này dẫn đến sự hình thành hiệu nhiệt độ ngưng tụ (Δtk) giữa môi chất lạnh và môi trường.

Khi đó diện tích trao đổi nhiệt của dàn ngưng được tính theo công thức: k k t Δ k

Qk - Nhiệt thải ngưng tụ (với hệ thống này chọn Qk = Q0 , W) k - hệ số truyền nhiệt, chọn k = 30 W/m 2 K

F - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của dàn ngưng, m 2

* Tính toán quá trình hấp phụ:

Theo lý thuyết của Eucken và Polanyi, đẳng nhiệt hấp phụ của hơi ở nhiệt độ T2 có thể được tính toán nếu đã biết đẳng nhiệt hấp phụ của một thành phần hơi nào đó ở nhiệt độ T1 Đường đẳng nhiệt hấp phụ được thể hiện qua đồ thị p - a.

Trong đó: a1 - tung độ của cấu tử chuẩn, thường chọn là benzen, kg/kg than a2 - tung độ cấu tử cần tính, kg/kg than

V 1 , V 2 - Thể tích mol của cấu tử chuẩn và cấu tử cần tính, m 3 /kmol ρ

M – Khối lượng phân tử, kg/kmol (của benzen là M1 = 78 kg/kmol; của methanol là M2 = 32 kg/kmol)

 - Khối lượng riêng, kg/m 3 (của benzen là 1 = 879 kg/m 3 ; của methanol là 2 = 792 kg/m 3 )

+ Hoành độ p được tính theo công thức:

Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về hoành độ của các điểm áp suất của cấu tử chuẩn (p1) và cấu tử cần tính (p2) trong đơn vị mmHg Áp suất hơi bão hòa của benzen tại nhiệt độ T1 được ký hiệu là pS-1, với giá trị là 75 mmHg Đồng thời, áp suất hơi bão hòa của cấu tử cần tính tại nhiệt độ T2 được ký hiệu là pS-2.

T1 - Nhiệt độ hấp phụ của benzen, K Chọn T1 = 20 0 C = 293 K

T2 - Nhiệt độ hấp phụ của metanol, K Chọn T2 = 30 0 C = 303 K

Bằng cách tính toán, ta có thể xây dựng đường hấp phụ đẳng nhiệt của than hoạt tính đối với metanol Từ đường hấp phụ này, ta có thể xác định lượng than hoạt tính bằng cách tính áp suất bay hơi của metanol và dựa vào đồ thị đường hấp phụ để tìm ra hoạt độ tĩnh a của metanol.

Hình 2.3 - Đường hấp phụ đẳng nhiệt của metanol

Lượng than cần thiết để hấp phụ hết môi chất metanol được tính bằng công thức a

Hệ thống lạnh sản xuất nước đá

Hình 2.4 - Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh sản xuất nước đá

Hệ thống sản xuất nước đá sử dụng năng lượng mặt trời dạng máy lạnh hấp phụ hoạt động theo chu kỳ, dựa trên nguyên tắc hấp thụ nhiệt từ môi trường để sản xuất nước đá Thiết bị này tận dụng năng lượng tái tạo, giúp giảm thiểu chi phí năng lượng và bảo vệ môi trường.

Trong quá trình hoạt động, van chặn mở và van tiết lưu đóng, cho phép bộ hấp phụ hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời, làm tăng nhiệt độ bên trong Khi nhiệt độ tăng, môi chất metanol trong than hoạt tính bốc hơi, dẫn đến tăng áp suất trong bộ hấp phụ Môi chất sau khi bốc hơi sẽ được chuyển đến thiết bị ngưng tụ, nơi nó thải nhiệt ra môi trường và ngưng tụ thành lỏng, chảy xuống bình chứa Quá trình này diễn ra liên tục cho đến khi bức xạ mặt trời giảm, lúc này van chặn sẽ đóng lại Bình chứa được thiết kế để có thể chứa toàn bộ lượng môi chất lạnh được giải phóng từ chất hấp phụ trong một ngày.

Trong nửa chu kỳ sau, môi chất làm việc vào ban đêm, khi bức xạ mặt trời kết thúc, van chặn sẽ được đóng lại Lúc này, bộ hấp phụ sẽ bức xạ nhiệt, làm giảm nhiệt độ của nó và tăng khả năng hấp thụ Sự giảm nhiệt độ này dẫn đến áp suất trong bộ hấp phụ cũng giảm xuống, cho đến khi toàn bộ collector hoạt động hiệu quả.

Khi nhiệt độ môi trường đạt 49 độ, van tiết lưu có thể được mở từ từ, cho phép lỏng môi chất chảy vào thiết bị bay hơi Tại đây, môi chất hấp thụ nhiệt từ nước làm đá và bay hơi lên bộ hấp phụ Nước sẽ mất nhiệt và hóa rắn, trong khi hơi môi chất được than hoạt tính trong bộ hấp phụ giữ lại.

2.5.3 Cấu tạo của các thiết bị

Bộ hấp phụ là thiết bị quan trọng quyết định hiệu suất của máy lạnh Cấu tạo của nó bao gồm các ống hình trụ sơn màu đen, bên trong chứa lớp than hoạt tính và lưới sắt Không gian bên trong cho phép thoát hơi môi chất xuống dàn ngưng tụ.

Bề mặt ống thép hấp thụ bức xạ mặt trời, bên trong chứa lớp than hoạt tính với môi chất lạnh Khi nhận nhiệt, môi chất bay hơi và thoát qua lưới thép vào không gian trong ống, sau đó dẫn xuống thiết bị ngưng tụ Bộ hấp thụ được thiết kế với các module nối song song, phù hợp với công suất lạnh của máy.

Thiết bị bay hơi có cấu trúc ống lồng ống, trong đó lỏng môi chất được cấp vào không gian giữa các ống, bên trong chứa nước làm đá Môi chất từ bình chứa được giảm áp suất qua tiết lưu và đưa vào thiết bị bay hơi từ phía dưới Tại đây, môi chất lỏng hấp thụ nhiệt từ nước làm đá và chuyển đổi thành hơi, sau đó quay trở lại bộ hấp phụ.

Hình 2.5 - Cấu tạo bộ hấp phụ NLMT

1 - Đường hơi môi chất; 2 - Ống hình trụ có sơn đen bề mặt; 3 - Than hoạt tính; 4 - Đường hơi môi chất đi vào dàn ngưng tụ; 5 - Lớp lưới thép; 6 -

Thiết bị ngưng tụ được cấu tạo từ một tổ hợp các ống thép ghép song song, kết nối với ống góp chung Bề mặt của dàn có cánh tản nhiệt nhằm tăng cường hiệu quả của quá trình trao đổi nhiệt.

Hình 2.6 - Cấu tạo thiết bị bay hơi

1 - Nắp đậy; 2 - Hơi môi chất ra khỏi thiết bị bay hơi lên bộ hấp phụ;

3 - Nước làm đá; 4 - Môi chất lạnh; 5 - Lỏng môi chất từ bình chứa

Hình 2.7 - Cấu tạo dàn ngưng

1 - Hơi môi chất vào; 2 - Cánh tản nhiệt; 3 - Ống dẫn môi chất;

4 - Ống góp; 5 - Đường lỏng môi chất ra

Tổ hợp hệ thống sản xuất nước đá và nước

Hình 2.8 Sơ đồ tổ hợp hệ thống sản xuất nước đá và nước nóng

Hệ thống collector hấp thụ năng lượng mặt trời để làm nóng nước, làm tăng nhiệt độ trong bình chứa và thiết bị hấp thụ Khi nhiệt độ chất hấp phụ tăng, môi chất lạnh bốc hơi, tạo áp suất cao trong hệ thống Hơi môi chất sau đó được ngưng tụ và chảy xuống thiết bị bay hơi, tiếp tục làm tăng nhiệt độ nước lên khoảng 80°C đến 95°C Quá trình bốc hơi và ngưng tụ diễn ra từ sáng đến tối, và khi nước nóng được sử dụng, nước lạnh từ bên ngoài tự động bổ sung vào bình chứa Nước lạnh làm giảm nhiệt độ và áp suất trong bộ phận hấp thụ, dẫn đến quá trình bay hơi của môi chất lạnh và tạo ra nước đá Collector cũng đóng vai trò là thiết bị giải nhiệt trong quá trình sản xuất nước đá, và quá trình làm lạnh tiếp tục diễn ra suốt đêm cho đến khi nhận nhiệt từ bức xạ mặt trời vào ngày hôm sau Ưu điểm của hệ thống này là collector vừa làm nóng nước vào ban ngày, vừa giải nhiệt vào ban đêm.

Mặc dù hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời mang lại nhiều lợi ích, nhưng một nhược điểm lớn là hiệu suất hoạt động không cao Do đó, hầu hết năng lượng mặt trời được khai thác không hiệu quả, dẫn đến việc sử dụng năng lượng chưa đạt tối ưu.

2.6.3 Cấu tạo của các thiết bị

* Thiết bị hấp thụ - bình chứa:

Hệ thống sản xuất nước đá và nước nóng sử dụng thiết bị hấp thụ hình trụ nằm ngang, bên trong chứa than hoạt tính Thiết bị này hoạt động bằng cách gia nhiệt chất hấp thụ bằng nước nóng và làm mát bằng nước lạnh Thiết kế của thiết bị hấp thụ được tính toán dựa trên lượng than hoạt tính cần thiết, đảm bảo hấp thụ hoàn toàn methanol để sản xuất 5 kg nước đá.

Thiết bị bay hơi của tổ hợp có cấu tạo tương tự hình 2.6

* Bộ thu năng lượng mặt trời:

Bộ thu năng lượng mặt trời trong hệ thống sử dụng ống gương phản xạ parabol trụ cố định, hoạt động dựa trên cơ chế đối lưu không khí tự nhiên mà không cần nguồn năng lượng bổ sung nào khác ngoài năng lượng mặt trời Để sản xuất 5 kg nước đá mỗi ngày, bộ thu yêu cầu diện tích khoảng 2 m² Nhiệt độ nước nóng trong hệ thống có thể đạt tới 90°C.

Máy lạnh hấp thụ dùng năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời cũng có thể cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ, hình 2.9 là sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr loại tác dụng đơn

Máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr hoạt động dựa trên khả năng hấp thụ hơi nước mạnh mẽ của dung dịch H2O - LiBr ở nhiệt độ thấp và khả năng giải phóng hơi nước ở nhiệt độ cao Đặc tính này cho phép hoàn thành chu trình lạnh hiệu quả.

Hai bình hình trụ 1 và 2 được thiết kế để duy trì chân không hiệu quả trong hệ thống Bình 1 chứa áp suất ngưng tụ và được trang bị dàn ngưng tụ B cùng bộ phận sinh hơi A, trong khi bình 2 đảm nhận chức năng áp suất bay hơi.

Bố trí dàn bay hơi C và bộ hấp thụ D có sự chênh lệch nhiệt độ đáng kể giữa các thiết bị Cụ thể, tại bình 1, nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ gia nhiệt có sự khác biệt rõ rệt, trong khi ở bình 2, nhiệt độ bay hơi và hấp thụ cũng không kém phần quan trọng Đặc biệt, việc không cần cách nhiệt và duy trì chân không cao trong thiết bị là điều kiện lý tưởng cho hiệu suất hoạt động.

Nguồn nhiệt được đưa vào bình sinh hơi A để gia nhiệt cho dung dịch đậm đặc H 2 O/LiBr (nhiệt độ ≥ 80 0 C) Hơi nước sinh ra bay lên trên dàn ngưng

B, thải nhiệt cho nước làm mát và ngưng tụ lại Dung dịch đậm đặc khi mất nước trở thành dung dịch loãng và được đưa trở lại dàn hấp thụ trong bình 2

Vòi phun có chức năng giảm áp, do đó không cần sử dụng van tiết lưu đặc biệt Tuy nhiên, trong một số trường hợp, cần áp dụng các biện pháp bổ sung để vận chuyển dung dịch loãng đến dàn hấp thụ.

Nước sau khi ngưng tụ tại dàn ngưng B sẽ chảy qua ống giảm áp để cân bằng áp suất, sau đó được bơm vào dàn bay hơi C qua vòi phun Tại đây, áp suất thấp khiến nước bay hơi, tạo ra lạnh Hơi nước sinh ra sẽ được dung dịch loãng hấp thụ ở bộ phận hấp thụ D, trong khi nhiệt lượng tỏa ra từ quá trình hấp thụ sẽ được nước làm mát hấp thụ Lạnh từ dàn bay hơi C sẽ được chất tải lạnh, cũng là nước, vận chuyển đến nơi tiêu dùng.

Hình 2.9 - Máy lạnh hấp thụ H 2 O/LiBr loại tác dụng đơn

1 - Bơm chân không; 2 - Chất tải lạnh; 3 - Nguồn nhiệt cấp; 4 - Đường ra nước làm mát; 5 - Ống giảm áp (Xiphông); 6 - Đường nước làm mát vào; 7 -

Bơm dung dịch; HE - Thiết bị hồi nhiệt; A - Thiết bị sinh hơi; B - Ngưng tụ;

Dung dịch đậm đặc sau quá trình hấp thụ được bơm lên bình sinh hơi A thông qua thiết bị trao đổi nhiệt HE, trong khi dung dịch loãng chảy trở lại bình hấp thụ Thiết bị HE giúp nâng cao hiệu suất nhiệt bằng cách làm nguội dung dịch loãng và làm nóng dung dịch đậm đặc Để tăng hệ số trao đổi nhiệt ở bình bay hơi C, các ống xoắn của chất tải lạnh được tưới môi chất lạnh liên tục nhờ bơm tuần hoàn Khi nhiệt độ bay hơi giảm xuống 3 đến 4 độ C, nhiệt độ chất tải lạnh đạt từ 7 đến 8 độ C.

Nước làm mát đầu tiên đi qua bình hấp thụ trước khi đến bình ngưng, dẫn đến nhiệt độ ngưng tụ cao hơn nhiệt độ hấp thụ một chút Nhánh nước phụ có nhiệm vụ điều chỉnh nhiệt độ ngưng tụ và hấp thụ một cách độc lập, không phụ thuộc vào nhau.

Máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng, bao gồm làm lạnh sản phẩm trong công nghiệp và điều hòa không khí Hệ thống hoạt động thông qua Collector 2, nơi nhận nhiệt từ bức xạ mặt trời 1 để làm nóng nước Nước nóng này được chứa trong bình 3 và sau đó được chuyển đến thiết bị sinh hơi, tạo ra hiệu quả làm lạnh.

Nhiệt độ của dung dịch đậm đặc tăng lên, khiến hơi môi chất bay hơi vào thiết bị ngưng tụ và chuyển hóa thành dạng lỏng Dung dịch lỏng sau đó đi qua tiết lưu với áp suất giảm, nhận nhiệt từ chất tải lạnh và bay hơi trong thiết bị bay hơi Hơi môi chất được dung dịch loãng hấp thụ trong bình hấp thụ, sau đó trở thành dung dịch đậm đặc và được bơm trở lại bình sinh hơi.

Hình 2.10 - Hệ thống làm mát không khí dùng năng lượng mặt trời

Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng chính được thu thập bởi các collector, sau đó được lưu trữ trong bình chứa Để tối ưu hóa hiệu suất, cần có nguồn năng lượng phụ trợ và thiết bị ngưng tụ Tiết lưu và thiết bị bay hơi đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng Bình sinh hơi và thiết bị hồi nhiệt giúp tăng cường hiệu quả sử dụng năng lượng Bình hấp thụ, van 3 ngả, bơm dung dịch và bơm nước làm mát là những thành phần thiết yếu trong hệ thống Cuối cùng, tháp giải nhiệt giúp duy trì nhiệt độ ổn định cho toàn bộ hệ thống.

Môi chất sau khi bay hơi trong bình sinh hơi sẽ tự chảy về bình hấp thụ để tiếp tục hấp thụ hơi môi chất từ thiết bị bay hơi làm lạnh Tháp giải nhiệt có nhiệm vụ làm mát nước sau khi nhận nhiệt từ thiết bị hấp thụ và ngưng tụ, sau đó nước được bơm tuần hoàn để thực hiện vòng tuần hoàn kín.

Khi nước trong bình chứa không đủ nhiệt độ để sinh hơi, cần bổ sung năng lượng phụ trợ để thực hiện chu trình Ở những khu vực có nhu cầu làm mát vào mùa hè và sưởi ấm vào mùa đông, hệ thống cung cấp nước nóng và điều hòa không khí sẽ là giải pháp hiệu quả.

Hình 2.10 - Hệ thống cung cấp nước nóng, sưởi ấm và điều hòa không khí sử dụng NLMT

Hệ thống năng lượng mặt trời bao gồm nhiều thành phần quan trọng như bức xạ mặt trời, bộ thu nhiệt, và thiết bị trao đổi nhiệt Nước được lưu trữ trong bình chứa và được tái sử dụng qua thiết bị hồi nhiệt Van 3 ngả giúp điều chỉnh dòng chảy, trong khi nguồn năng lượng phụ trợ đảm bảo hoạt động liên tục Hệ thống làm lạnh bao gồm các quá trình hấp thụ, ngưng tụ và sinh hơi, hỗ trợ trong việc nấu nước và cung cấp nước nóng Tháp giải nhiệt và bơm nước đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nhiệt độ, cùng với dàn lạnh và hệ thống sưởi ấm, tạo ra môi trường thoải mái Dàn phụ trợ cũng góp phần nâng cao hiệu suất của toàn bộ hệ thống.

* Các bước và cách thức thực hiện công việc:

1 THIẾT BỊ, DỤNG CỤ, VẬT TƯ :

(Mỗi học sinh phải trang bị)

TT Loại trang thiết bị Số lượng

1 Giấy vở học sinh, bút viết 1quyển, chiếc

3 Giáo trình: Hệ thống máy lạnh khác 1 cuốn

TT Tên các bước công việc

Thiết bị - dụng cụ, vật tư

Tiêu chuẩn thực hiện công việc

Lỗi thường gặp, cách khắc phục

1 Khái niệm Giấy vở học sinh, bút viết, máy tính, giáo trình

Trình bày được sự ra đời của máy lạnh hấp thụ rắn sử dụng năng lượng mặt trời, các ưu nhược điểm của nó

Trình bày chưa đủ các ưu nhược điểm

2 Máy lạnh hấp phụ rắn dùng năng lượng mặt trời

- Trình bày được nguyên tắc làm việc của máy lạnh hấp phụ rắn

- Phân tích được cặp môi chất dùng trong hệ thống

Trình bày không đủ nguyên tắc hoạt động

3 Cấu tạo thiết bị máy lạnh hấp phụ

4 Tính toán nhiệt Giấy vở học sinh, bút viết, máy tính, giáo trình

-Tính toán được và đầy đủ các lượng nhiệt tổn thất của hệ thống

Tính toán chưa đầy đủ các lượng nhiệt

5 Hệ thống lạnh sản xuất nước đá

- Vẽ được sơ đồ hệ thống

6 Tổ hợp hệ thống sản xuất nước đá và nước nóng

7 Máy lạnh hấp thụ dùng năng lượng mặt trời