TỔNG QUAN
Tổng quan về nghiên cứu máy lạnh hấp thụ
Làm lạnh bằng máy lạnh hấp thụ là một phương pháp lâu đời, nhưng đã bị lãng quên do ưu điểm vượt trội của máy lạnh nén hơi Gần đây, khi nhận thức về tác hại môi trường từ máy lạnh nén hơi gia tăng, máy lạnh hấp thụ đã trở thành lựa chọn ưu tiên tại nhiều quốc gia đang phát triển.
So với máy lạnh có máy nén hơi thì máy lạnh hấp thụ có 2 khác biệt lớn nhất sau đây:
Năng lượng cấp vào cho máy lạnh hấp thụ là nhiệt năng, năng lượng cấp vào cho máy lạnh có máy nén hơi là cơ năng
Môi chất làm việc trong máy lạnh là dung dịch của hai chất thuần khiết có nhiệt độ sôi khác biệt lớn ở cùng áp suất Trong các máy lạnh sử dụng máy nén hơi, môi chất thường là một chất thuần khiết hoặc hỗn hợp đồng sôi.
Chu trình máy lạnh với máy nén hơi là giải pháp hiệu quả, nhưng cần nguồn năng lượng cao cấp để vận hành Thay vì sử dụng quá trình nén, có thể áp dụng các phương pháp hấp thụ hơi vào chất lỏng, từ đó bơm dung dịch lỏng lên thể tích cao hơn Cách này giúp giảm công suất cần thiết cho việc quay trục động cơ.
Các cặp lưu chất phổ biến trong chu trình máy lạnh hấp thụ bao gồm H2O-LiBr, NH3-H2O và NH3-H2O-H2 Trong số đó, chu trình hấp thụ H2O-LiBr thường được sử dụng cho các nhu cầu làm lạnh lớn hơn.
Tại áp suất 1 bar, nhiệt độ đông đặc của NH3 là -77,7 °C và nhiệt độ bay hơi là -33,4 °C, cho phép ứng dụng NH3 trong việc làm lạnh ở nhiệt độ thấp Hệ thống NH3-H2O-H2 sử dụng NH3 làm môi chất lạnh hiệu quả.
H2 tạo chênh lệch áp suất hơi riêng phần cho môi chất lạnh vì thế không cần bơm dung dịch
Các nhà nghiên cứu đánh giá cặp môi chất làm việc NH3-H2O có tính chất vật lý và nhiệt động rất tốt [3], [4]
1.1.1 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước
Sự phát triển công nghệ và vấn đề năng lượng đã khiến máy lạnh hấp thụ trở thành lựa chọn hiệu quả và kinh tế thay thế cho máy lạnh nén hơi Hiện nay, nghiên cứu về việc nâng cao hiệu quả của máy lạnh hấp thụ đang ở giai đoạn cao trào.
Uppal và cộng sự đã phát triển một tủ lạnh hấp thụ nhỏ với nguồn nhiệt từ năng lượng mặt trời để bảo quản vaccine Trong khi đó, Staicovici (1986) đã thiết kế một hệ thống hấp thụ gián đoạn một cấp để bảo quản cá, đạt COP thực từ 0,25 đến 0,3 với nhiệt độ sinh hơi và ngưng tụ tương ứng.
Rogdakis và Antonopoulos đã nghiên cứu hệ thống lạnh hấp thụ NH3-H2O hai cấp, cho phép nhiệt độ môi chất lạnh giảm xuống -70°C Mô phỏng cho thấy hiệu suất của hệ thống này phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường.
10 o C thì COP thay đổi từ 20 ÷ 65% tương ứng với nhiệt độ bay hơi thấp nhất từ -70 ÷ -
Sun [9] đã thực hiện phân tích nhiệt động cho các chu trình sử dụng ammonia-nước, ammonia-lithium nitrate và ammonia-sodium thiocyanate Kết quả so sánh hiệu suất cho thấy ammonia-lithium nitrate và ammonia-sodium thiocyanate có khả năng thay thế cho chu trình ammonia-nước.
C.P Jawahar và cộng sự [10] đã nghiên cứu nhiệt động của hệ thống lạnh hấp thụ NH3-H2O bằng công nghệ Pinch để thu hồi lượng nhiệt lớn nhất từ dòng lưu chất làm tăng hiệu suất của hệ thống Hệ thống được mô phỏng có nhiệt độ bộ sinh hơi từ 120 ÷ 150 o C, nhiệt độ giải nhiệt từ 25 ÷ 45 o C và nhiệt độ bay hơi từ -10 ÷ 10 o C So với hệ thống thông thường thì
COP có thể cao hơn 17 ÷ 56%
Brice Le Lostec và cộng sự đã thực hiện thí nghiệm với hệ thống chiller NH3-H2O một cấp, đạt được COP là 0,6 Khi nhiệt độ bay hơi giảm, COP giảm đáng kể do hiện tượng cấp liệu quá mức của bộ bay hơi, điều này cũng được xác nhận bởi các nghiên cứu trước đó Thêm vào đó, năng suất lạnh thay đổi liên quan đến việc điều chỉnh tiết lưu môi chất lạnh Hiệu suất của chiller hấp thụ còn phụ thuộc vào nguồn nhiệt, nhiệt độ giải nhiệt và lưu lượng của dòng dung dịch đặc.
Weihua Cai và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu mô hình động học cho chu trình lạnh hấp thụ một cấp Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích khối lượng, động lượng và cân bằng năng lượng của từng bộ phận trong hệ thống Đồng thời, một số thông số thiết kế quan trọng đã được xác định, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Tất cả các đặc tính nhiệt động của hỗn hợp được xác định dựa trên phương trình trạng thái, cho thấy rằng hệ số hiệu quả của chu trình tăng lên khi nhiệt độ bộ sinh hơi hoặc nhiệt độ bình ngưng tụ giảm Hệ thống nhanh chóng đạt trạng thái ổn định từ các thông số hoạt động cụ thể, và sự tăng áp suất bơm sẽ cải thiện hiệu suất của hệ thống Trước khi đạt trạng thái cân bằng, tốc độ dòng chảy, năng suất nhiệt và COP cũng được theo dõi và quan sát.
Mathew Aneke và cộng sự đã thiết kế và so sánh hiệu suất của hai hệ thống lạnh khác nhau Hệ thống 1 sử dụng nhiệt thải để cấp cho chu trình Rankine, tạo công cho máy nén của chu trình máy lạnh có máy nén hơi, trong khi Hệ thống 2 cấp nhiệt thải trực tiếp cho máy lạnh hấp thụ NH3-H2O Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống 1 có hệ số hiệu suất (COP) cao hơn so với hệ thống 2.
Muammer Ozgoren và cộng sự [14] nghiên cứu khả năng sử dụng máy lạnh hấp thụ NH3-
Hệ thống H2O một cấp tại tỉnh Adana, Thổ Nhĩ Kỳ, được cấp nhiệt bằng năng lượng mặt trời, với hệ số hiệu suất (COP) làm mát dao động từ 0,243 đến 0,454 và COP gia nhiệt từ 1,243 đến 1,454 COP đạt giá trị cực đại vào buổi sáng và cực tiểu vào buổi trưa.
Hình 1.1 Chu trình máy lạnh hấp thụ một cấp cơ bản
Đánh giá kết quả các công trình nghiên cứu đã công bố
Nâng cao hiệu suất của hệ thống lạnh hấp thụ là mục tiêu nghiên cứu hàng đầu, với trọng tâm chính là tìm kiếm các lưu chất mới và phát triển các chu trình mới hoặc chu trình kết hợp Nghiên cứu cũng chú trọng vào việc cải thiện hiệu quả truyền nhiệt và truyền chất để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.
Nghiên cứu về hệ thống lạnh hấp thụ đã cho thấy khả năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như điều hòa không khí, làm mát, sản xuất nước đá và làm lạnh sâu Đồng thời, các nghiên cứu này cũng tập trung vào việc tận dụng nguồn nhiệt thải và năng lượng tái tạo, mang lại những kết quả cụ thể và đóng góp đáng kể cho ngành.
Hệ thống lạnh NH3-H2O cho ứng dụng làm nước đá được coi là khả thi, nhưng nghiên cứu về hệ thống này vẫn còn hạn chế Chưa có nghiên cứu đầy đủ về ảnh hưởng của nồng độ nạp đến hiệu suất và sự ổn định của máy lạnh hấp thụ trong việc sản xuất nước đá.
Lý do chọn đề tài
Nghiên cứu hoạt động của máy lạnh hấp thụ sử dụng cặp môi chất NH3-H2O để sản xuất nước đá có công suất nhỏ là cần thiết và cấp bách tại Việt Nam vì bốn lý do chính: đầu tiên, nó phù hợp với điều kiện công nghệ chế tạo trong nước; thứ hai, đáp ứng nhu cầu sử dụng nước đá ngày càng tăng; thứ ba, góp phần tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường; và cuối cùng, thúc đẩy phát triển công nghiệp lạnh trong nước.
Hiện nay, thách thức lớn nhất trong việc sử dụng năng lượng là cần phải tối ưu hóa hiệu quả và mở rộng quy mô để bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi trường Điều này đặc biệt quan trọng khi nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt.
- Vấn đề mà nhân loại đối mặt ngày nay là sự nóng lên toàn cầu và ô nhiễm môi trường
- Máy lạnh hấp thụ không sử dụng chất phá hủy tầng ozon và ít tác động đến sự nóng dần lên của trái đất
- Chu trình lạnh hấp thụ là chu trình được vận hành bởi nhiệt năng
Lạnh công nghiệp bao gồm nhiều lĩnh vực như điều hòa không khí, đông lạnh trong ngành hóa chất, dược phẩm, dầu khí, hóa dầu, luyện kim, đúc nhựa, kỹ thuật xây dựng, cũng như trong các phức hợp giải trí thể thao và sản xuất nước đá Năng suất lạnh có thể dao động từ 20kW đến hàng MW, với nhiệt độ hoạt động từ -100°C đến trên mức đóng băng Các máy lạnh có công suất nhỏ thường có khả năng làm lạnh từ 100W đến vài kW.
Trong lĩnh vực sản xuất nước đá ống, năng suất làm đá hiện tại dao động từ 5 đến 120 tấn/ngày, với mỗi mẻ sản xuất từ 200 đến 5000 kg và thời gian mỗi mẻ khoảng 1 giờ Nhiệt độ bay hơi của NH3 là khoảng -18 oC, tuy nhiên, việc áp dụng máy lạnh hấp thụ có công suất lớn từ 120 đến 240 kW cho các cơ sở bán sỉ ở Việt Nam vẫn chưa khả thi Do đó, máy lạnh hấp thụ có công suất vừa từ 30 đến 60 kW trở thành lựa chọn phù hợp cho các đại lý bán lẻ hiện nay Bảng 1.1 cung cấp thông tin chi tiết về dải năng suất lạnh của máy sản xuất nước đá ống trên thị trường.
Dải năng suất lạnh ứng dụng phụ thuộc vào năng suất của bơm dung dịch trên thị trường, như bơm li tâm đa tầng cánh của Grundfos với cột áp tối đa 50 bar và lưu lượng tối đa 184 m³/giờ Năng suất động cơ của bơm dao động từ 0,37 đến 75 kW, cho phép máy lạnh hấp thụ có dải năng suất lạnh từ 30 đến 60 kW, như trình bày trong bảng 1.2.
Bảng 1.1 Năng suất của máy đá ống
Q e (kW) P cal (HP) P sel (HP) P sel (kW)
Dựa trên thực tế về dải năng suất sản xuất nước đá hiện tại và khả năng đáp ứng của bơm dung dịch, tác giả đề xuất ứng dụng máy lạnh hấp thụ với công suất lạnh trung bình từ 30 đến 60 kW, cho năng suất làm đá từ 5 đến 10 tấn/ngày (khoảng 200 kg/mẻ) Đối với dải công suất lạnh này, bình hấp thụ cần có dải công suất tương ứng từ 52 đến 104 kW.
Bình hấp thụ là một phần quan trọng trong hệ thống máy lạnh hấp thụ, hoạt động hiệu quả trong điều kiện môi trường tại Việt Nam Nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh trong bộ bay hơi nằm trong khoảng từ -20 o C đến -10 o C, trong khi nhiệt độ ngưng tụ của môi chất lạnh trong bình ngưng tụ dao động từ 30 o C đến 35 o C Đồng thời, nhiệt độ hấp thụ dung dịch ra khỏi bình hấp thụ nằm trong khoảng 30 o C đến 38 o C, và nhiệt độ sinh hơi của dung dịch trong bình sinh hơi đạt từ 95 o C đến 125 o C.
1.3.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Bình hấp thụ của máy lạnh có năng suất lạnh trung bình từ 30 đến 60 kW và năng suất làm đá từ 5 đến 10 tấn/ngày (khoảng 200 kg/mẻ) Tuy nhiên, cấu tạo của thiết bị này phù hợp với điều kiện Việt Nam nhưng chưa được nghiên cứu nhiều Do đó, vấn đề này sẽ được tập trung nghiên cứu trong thời gian tới.
Thực hiện thử nghiệm trên mô hình thực nghiệm nhằm tối ưu hóa điều kiện hoạt động cho toàn hệ thống phù hợp với môi trường tại Việt Nam Nghiên cứu này áp dụng công nghệ tiên tiến và tiêu chuẩn chất lượng quốc tế, đồng thời đảm bảo tính thực tiễn cho điều kiện tại Việt Nam.
Các kết quả nghiên cứu có thể được dùng để tham khảo khi thiết kế, chế tạo và vận hành máy lạnh hấp thụ trong điều kiện Việt Nam.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
1 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy lạnh hấp thụ
Bảng 1.2 Năng suất lạnh với khả năng đáp ứng của bơm dung dịch
Q e (kW) Q g (kW) m ss (l/p) Q p_o (kW) Q p_i (kW)
2 Thực nghiệm xác định đặc tính làm việc của hệ thống máy lạnh hấp thụ, đánh giá đặc tính làm việc để tối ưu điều kiện hoạt động cho toàn hệ thống theo điều kiện môi trường tại Việt Nam
3 Xác định nồng độ nạp dung dịch NH3-H2O để hệ thống vận hành đạt được hiệu suất cực đại theo nhiệt độ sinh hơi, ngưng tụ, hấp thụ, bay hơi của hệ thống
1 Phân tích lý thuyết nhiệt động của máy lạnh hấp thụ kết hợp với thực nghiệm đo đạc trên mô hình thực tế cho mục đích sản xuất nước đá
2 Xác định nồng độ dung dịch NH3-H2O nạp phù hợp với điều kiện vận hành và nhiệt độ bay hơi yêu cầu
3 Thiết lập được mối tương quan của nhiệt độ sinh hơi tối ưu theo nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh trong bộ bay hơi, ngưng tụ của môi chất lạnh trong bình ngưng tụ, hấp thụ của dung dịch ra khỏi bình hấp thụ.
Kết luận
Trong chương này, tác giả đã đánh giá thực trạng nghiên cứu về máy lạnh hấp thụ cả trong và ngoài nước Dựa trên những ưu điểm và hạn chế của các nghiên cứu trước, tác giả nhấn mạnh ý nghĩa khoa học và thực tiễn của vấn đề này.
Dựa trên thực tế về dải năng suất sản xuất nước đá trên thị trường và khả năng đáp ứng của bơm dung dịch, tác giả đề xuất ứng dụng máy lạnh hấp thụ có công suất lạnh trung bình từ 30 đến 60 kW, với năng suất làm đá từ 5 đến 10 tấn mỗi ngày (khoảng 200 kg mỗi mẻ) Đối với dải công suất lạnh này, bình hấp thụ có công suất tương ứng từ 52 đến 104 kW được xác định.
- Các kết quả nghiên cứu có thể được dùng để tham khảo khi thiết kế, chế tạo và vận hành máy lạnh hấp thụ trong điều kiện Việt Nam
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mô tả hệ thống
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống lạnh hấp thụ NH3-H2O một cấp được trình bày trong Hình 2.1 Hơi NH3 nguyên chất ở áp suất và nhiệt độ thấp (trạng thái 13) rời khỏi bộ bay hơi và vào bình hấp thụ (trạng thái 1), nơi nó được hấp thụ bởi dung dịch loãng từ van giảm áp (trạng thái 8) Nhiệt lượng hấp thụ (Qa) được loại bỏ nhờ nước giải nhiệt Sau đó, dung dịch đặc rời khỏi bình hấp thụ (trạng thái 2) và được bơm lên áp suất sinh hơi (trạng thái 3) Dung dịch áp suất cao này được gia nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt và chuyển sang trạng thái 4, rồi vào bộ sinh hơi để trao đổi nhiệt và khối lượng với hơi NH3 sinh ra Trong bộ sinh hơi, nhiệt (Qg) được cung cấp để sinh hơi NH3 và kéo theo một phần nước, phần nước này sẽ trao đổi nhiệt và khối lượng với dung dịch đặc chảy từ trên xuống.
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của máy lạnh NH3-H2O một cấp
Trong quá trình này, nhiệt độ của hơi và nước giảm xuống, với hơi ở trạng thái 5 đi vào bộ hồi lưu, nơi hơi nước được tách ra qua quá trình ngưng tụ - giải nhiệt Nhiệt lượng (Qd) được thải ra ngoài qua nước giải nhiệt, giúp hơi đạt trạng thái 10, chủ yếu là hơi NH3 (hơn 99% khối lượng), trước khi vào bình ngưng tụ để thực hiện quá trình ngưng tụ giải nhiệt (Qc) Lỏng ngưng tụ ở trạng thái 11 tiếp tục qua van tiết lưu để trở thành trạng thái 12 Môi chất lạnh sau đó vào bộ bay hơi để thu nhiệt từ môi trường (Qe) và ra khỏi bộ bay hơi ở trạng thái 13, trước khi vào bộ quá lạnh để hoàn tất chu trình làm lạnh Đồng thời, nước ngưng trong bộ hồi lưu ở trạng thái 9 chảy xuống từ ống tách, kết hợp với dung dịch đặc từ bình hấp thụ để thực hiện trao đổi nhiệt, sinh ra hơi NH3 Dung dịch loãng nóng ở trạng thái 6 vào bộ trao đổi nhiệt, làm nguội thành trạng thái 7, rồi qua van giảm áp để trở thành trạng thái 8, trước khi vào bình hấp thụ, hoàn thành chu trình.
Trước khi khởi động máy, áp suất của dung dịch trong bình sinh hơi đạt mức bão hòa, tương ứng với nhiệt độ và nồng độ của dung dịch NH3-H2O Nhiệt năng được cung cấp cho dung dịch nhằm đảm bảo quá trình hoạt động hiệu quả.
Quá trình bay hơi của NH3 trong dung dịch NH3-H2O làm tăng áp suất trong bình sinh hơi và giảm nồng độ dung dịch, dẫn đến việc nhiệt độ bão hòa của dung dịch tăng Khi áp suất trong bình đạt đến áp suất ngưng tụ của hơi NH3, hơi NH3 sẽ được ngưng tụ nhờ nước giải nhiệt Trong điều kiện này, áp suất bão hòa của dung dịch NH3-H2O trong bình sinh hơi ổn định theo áp suất ngưng tụ, tạo nên quá trình bay hơi đẳng áp của NH3.
Khi H2O được kéo theo cùng với môi chất lạnh NH3, quá trình truyền nhiệt trong bình ngưng tụ và bộ bay hơi trở nên không đẳng nhiệt, dẫn đến việc nhiệt độ bay hơi tăng Điều này gây ra hiện tượng bay hơi không hoàn toàn và làm tăng bội số tuần hoàn.
Dung dịch NH3-H2O có đặc điểm khác biệt so với các chất thuần khiết, với nhiệt độ tăng liên tục trong quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang hơi Quá trình chuyển pha này diễn ra theo nhiệt độ, bắt đầu từ điểm sôi đến điểm ngưng Khi nối tất cả các điểm sôi và điểm ngưng theo nồng độ dung dịch NH3-H2O tại áp suất không đổi, ta sẽ tạo ra đường điểm sôi và đường điểm ngưng tụ tương ứng Đường điểm sôi đại diện cho trạng thái lỏng bão hòa.
Ngưng là đường hơi bão hòa của dung dịch tại áp suất nhất định Khu vực giữa đường điểm sôi và đường điểm ngưng là vùng hai pha, nơi hơi và lỏng đồng thời tồn tại trong trạng thái cân bằng.
Dung dịch đặc sau khi ra khỏi bình hấp thụ 2 được bơm qua bộ trao đổi nhiệt và vào bình sinh hơi tại điểm 4 Tại đây, dung dịch được gia nhiệt và bay hơi ở điểm 5, trong khi dung dịch loãng còn lại thoát ra ở điểm 6 Hơi bay ra từ điểm 5 kéo theo nước qua ống chiết tách, tạo thành hơi NH3 gần như nguyên chất tại điểm 10, trong khi nước được tách ra và quay lại bình sinh hơi ở điểm 9 Hơi NH3 ở trạng thái 10 đi qua bình ngưng tụ, nơi nước giải nhiệt giúp nó ngưng tụ thành NH3 lỏng tại điểm 11 NH3 lỏng này sau đó được giảm áp qua van tiết lưu xuống trạng thái 12 và bay hơi trong bộ bay hơi ở trạng thái 13 Hơi NH3 ở trạng thái 13 trở lại bình hấp thụ ở trạng thái 1, nơi dung dịch loãng 8 hấp thụ và chuyển thành dung dịch đậm đặc ở trạng thái 2 Cuối cùng, dung dịch đậm đặc ở trạng thái 2 được bơm lên trạng thái 3 để tiếp tục vòng tuần hoàn.
Đồ thị i-C cho máy lạnh hấp thụ thiết kế thể hiện các điểm trạng thái quan trọng Quá trình 6-7-8 mô tả mạch dung dịch loãng, trong khi quá trình 2-3-4 thể hiện mạch dung dịch đậm đặc Quá trình 10-11-12-13-1 phản ánh mạch làm lạnh của dòng hơi NH3 gần như tinh khiết Điểm 5 cho thấy hơi NH3 rời khỏi bình sinh hơi kèm theo lượng hơi nước, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống Do đó, cần tách lượng hơi nước này ra khỏi hơi NH3 thông qua ống chiết.
Hình 2.2 Đồ thị i-C của máy lạnh hấp thụ một cấp thiết kế
Hầu hết lượng hơi nước trong hỗn hợp được tách ra thông qua quá trình làm mát và ngưng tụ, sau đó trở lại bình sinh hơi ở trạng thái 9 Kết quả là dòng hơi NH3 ở trạng thái 10 gần như tinh khiết được đưa vào bình ngưng.
Cân bằng áp suất và nhiệt độ ở trạng thái bão hòa (2 pha) có quan hệ theo phương trình: i i i T a T
Entanpy của NH3 ở trạng thái lỏng bão hòa và hơi bão hòa là các phương trình theo nhiệt độ: i i i l T b T i ( ) ( 273 15 )
Phần dưới đây trình bày một số công thức tính toán các thông số nhiệt động – nhiệt vật lý của dung dịch NH3-H2O do A.A.Zatorski đề nghị
Công thức (3.50) dưới đây trình bày các cách xác định nhiệt độ sôi T (K) của dung dịch
NH3-H2O ở nồng độ c và áp suất p (bar): log 0, 00847711
Entanpy của dung dịch lỏng và hơi
Trong các công thức dưới đây, entanpy, nhiệt độ và áp suất được đo bằng kJ/kg, K và bar Các ký hiệu i’ và i’’ đại diện cho entanpy của dung dịch lỏng tại nồng độ c, nhiệt độ T và áp suất p, cũng như entanpy của hơi bay ra từ dung dịch khi sôi.
3 – entanpy của NH3 lỏng và NH3 hơi ứng với nhiệt độ T và áp suất p iH 2 O, iVH 2 O – entanpy của nước và hơi nước ứng với nhiệt độ T và áp suất p
16 qt – nhiệt lượng hòa trộn, kJ/kg cv – nồng độ của hơi bay ra từ dung dịch NH3-H2O đang sôi
Công thức xác định nồng độ của hơi bay ra từ dung dịch lỏng sôi ở nồng độ c, áp suất p (bar) và nhiệt độ T (K):
Nhiệt dung riêng của dung dịch
Nhiệt dung riêng cp (kJ/kg.độ) của dung dịch ở nồng độ c, nhiệt độ T (K) và áp suất p (bar) được tính như sau: c T p T
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch
Hệ số dẫn nhiệt [W/(m.độ)] của dung dịch được tính trên cơ sở hệ số dẫn nhiệt NH 3 và
H 2 O Gọi c là nồng độ và t ( o C) là nhiệt độ của dung dịch ta có:
Các ảnh hưởng đến hiệu quả truyền nhiệt-truyền chất
2.2.1 Ảnh hưởng của kết cấu bình hấp thụ
Kết cấu của bình hấp thụ cần đảm bảo sự tương tác hiệu quả giữa ba thành phần chính: dòng dung dịch loãng từ bình sinh hơi, dòng hơi amoniac từ bình bay hơi, và cách bố trí các ống giải nhiệt cũng như chiều chuyển động của nước giải nhiệt.
Dung dịch loãng NH3-H2O tạo ra một lớp màng bao quanh các ống trong hệ thống ống song song Hơi NH3 di chuyển từ dưới lên, ngược chiều với dòng chảy của dung dịch loãng.
[32], [33], [34] Dung dịch NH3 chảy xuống từ phía trên của bình hấp thụ kiểu màng dạng tấm, hơi NH3 và nước giải nhiệt chảy từ phía dưới lên [35], [36]
Sự phân phối dung dịch loãng cần phải được thực hiện một cách đồng đều để tối ưu hóa diện tích bề mặt giải nhiệt Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng việc phân phối không đồng đều có thể dẫn đến việc không tận dụng hết khả năng của bề mặt này Máng phân phối được thiết kế với 4 hàng, mỗi hàng có 75 lỗ với kích thước lỗ là 30x3,8mm, kết hợp với 300 vòi phun có đường kính ngoài 1,5mm, nhằm đảm bảo dung dịch loãng được phân phối hiệu quả lên hàng ống đầu tiên của chùm ống.
Để tăng hiệu suất hấp thụ, cần cải thiện hệ số truyền nhiệt và diện tích giải nhiệt Hiệu suất này được nâng cao nhờ vào việc tối ưu hóa sự phân phối dung dịch và bề mặt giải nhiệt ướt đồng đều Sự tiếp xúc giữa lỏng và hơi giúp giảm trở lực trong quá trình truyền nhiệt và truyền chất, do đó, thiết kế bình hấp thụ cần có cấu trúc hình học nhỏ gọn Khái niệm này đã được áp dụng thành công, mang lại các hệ số truyền nhiệt rất cao.
Nghiên cứu này phân tích hiệu suất của bình hấp thụ màng sử dụng dung dịch NH3-H2O, với cấu trúc gồm 6 hàng ống bố trí song song và 28 ống nước giải nhiệt, cùng với hàng ống phân phối dung dịch.
Hệ thống hấp thụ hình hộp chữ nhật được thiết kế với 18 ống phân phối hơi ở phía đáy Khoảng cách tối ưu giữa các ống có đường kính Φ9,6mm theo chiều dọc là 20mm, trong khi bước ngang là 13mm.
2.2.2 Ảnh hưởng của chế độ chảy của dung dịch loãng
Chế độ dòng dung dịch loãng thích hợp có thể nâng cao diện tích hấp thụ Trong các bình hấp thụ công nghiệp, lưu lượng dòng thường được duy trì ở dạng giọt để tối ưu hóa sự trải đều của dòng chảy.
Quá trình hấp thụ không đẳng nhiệt diễn ra trên bề mặt tiếp xúc lỏng-hơi, dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ của màng Hệ số khuếch tán của H2O trong dung dịch thấp hơn so với NH3, khiến cho hơi NH3 bị trì hoãn tại bề mặt tiếp xúc Khi bề mặt tiếp xúc trở nên bão hòa, tốc độ hấp thụ hơi giảm đáng kể Do đó, việc tăng tỉ lệ ướt bề mặt sẽ cải thiện hệ số truyền nhiệt phía dung dịch.
Tăng diện tích truyền chất giữa hơi và dung dịch loãng, cùng với việc giảm bề dày của lớp màng, sẽ làm tăng hệ số truyền chất từ dòng hơi NH3 vào dung dịch NH3-H2O.
Khoảng cách giữa các hàng ống cần được điều chỉnh phù hợp với lưu lượng dung dịch cấp vào để đảm bảo chế độ dòng giọt hiệu quả Đối với ống có đường kính ngoài 9,5mm, khoảng cách dọc giữa các ống nên là 10,05mm.
Nghiên cứu này thực hiện:
Hình 2.3 Mô hình hấp thụ với nước giải nhiệt ngược chiều
Diện tích mặt tiếp xúc giữa lỏng và hơi được tối ưu hóa bằng cách làm cho dung dịch loãng trải rộng trên các ống giải nhiệt, trong đó bề mặt ống được thổi cát để nâng cao độ dẫn ướt Để đảm bảo dòng dung dịch loãng phân phối đều, cần khoan các lỗ có đường kính Φ1,2mm theo hàng với khoảng cách 4mm, giúp dung dịch thoát ra từ ống phân phối một cách chậm rãi, tạo màng và sau đó rơi đều xuống Quan trọng là phải theo dõi độ dày của màng lỏng và lưu lượng dung dịch cấp vào để đảm bảo sự phân phối phù hợp với khoảng cách giữa các hàng ống.
2.2.3 Ảnh hưởng của lưu lượng, nồng độ, và nhiệt độ dung dịch loãng
Nghiên cứu của Meacham & Garimella, Sangsoo Lee và cộng sự, cùng với Kwong và Jeong, cho thấy rằng việc tăng lưu lượng dung dịch loãng sẽ làm tăng hệ số truyền nhiệt một cách đáng kể Điều này cũng được xác nhận qua mô phỏng số trước đó của Meacham và Garimella Tuy nhiên, Goel và Groswami lại phát hiện rằng khi lưu lượng dung dịch loãng tăng, năng suất của bình hấp thụ tăng nhưng hệ số truyền nhiệt vẫn giữ nguyên Cần lưu ý rằng đường kính trong của ống giải nhiệt trong nghiên cứu của Goel và Groswami lớn gấp đôi so với của Meacham và Garimella, trong khi lưu lượng nước giải nhiệt chỉ bằng khoảng một nửa Do đó, sự truyền nhiệt từ nước giải nhiệt bị giới hạn, dẫn đến việc không thể nâng cao truyền nhiệt tổng khi tăng lưu lượng dung dịch.
Lưu lượng dung dịch loãng không ảnh hưởng đáng kể đến hệ số truyền chất Tốc độ hấp thụ tăng nhẹ khi nhiệt độ dung dịch loãng từ 8 đến 25 độ C Nhiệt độ của lớp màng nhanh chóng đạt trạng thái cân bằng với nhiệt độ bề mặt tiếp xúc nhờ vào quá trình hấp thụ nhiệt, do đó, sự thay đổi nhiệt độ của lớp màng sẽ tác động đến quá trình hấp thụ.
Sự quá lạnh dung dịch loãng sẽ làm mất cân bằng của màng dung dịch và hơi trong bình hấp thụ làm cho hiệu suất bình hấp thụ tăng [38]
Nồng độ dung dịch loãng thấp làm tăng hệ số tỏa nhiệt phía dung dịch khi dòng hơi cùng chiều so với dòng hơi ngược chiều Trong nghiên cứu này, lưu lượng dung dịch loãng vào bình hấp thụ được khảo sát với các giá trị [0,001; 0,005; 0,008; 0,0113; 0,0146; 0,03] [kg/(m.s)] nhằm xác định lưu lượng phân phối dung dịch tối ưu cho năng suất lạnh Cả nồng độ và nhiệt độ của dung dịch loãng đều phụ thuộc vào chế độ vận hành của hệ thống.
2.2.4 Ảnh hưởng của hơi NH 3
Theo nghiên cứu của Meacham và Garimella, cũng như Binglu Ruan và cộng sự, hệ số truyền nhiệt thường tăng khi lưu lượng hơi NH3 tăng Ngược lại, Lee và cộng sự cho thấy rằng trong dòng ngược chiều, hệ số truyền nhiệt chỉ tăng rất ít hoặc không tăng khi lưu lượng hơi gia tăng Nghiên cứu của Kwong và Jeong chỉ ra rằng trong dòng ngược chiều, hệ số truyền nhiệt thường tăng với lưu lượng hơi, nhưng khi lưu lượng vượt qua một ngưỡng nhất định, các yếu tố khác như sự phân bố của dòng dung dịch loãng và độ ướt bề mặt giải nhiệt có thể làm giảm hệ số truyền nhiệt Đối với dòng cùng chiều, sự truyền nhiệt giữa dung dịch không bị ảnh hưởng bởi lưu lượng hơi.
TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
Mô hình toán của hệ thống
Mô hình toán được xây dựng nhằm phân tích hiệu suất của hệ thống thử nghiệm tính toán điển hình, dựa trên nhiệt độ và áp suất của lưu chất làm việc theo các giá trị thiết kế Các mô hình nhiệt động của các bộ phận đảm bảo cân bằng năng lượng và khối lượng, cùng với một chương trình mô phỏng được phát triển để phân tích chu trình Phân tích thể tích kiểm tra được thực hiện cho từng bộ phận như bình sinh hơi, bình hồi lưu, bình ngưng tụ, bình bay hơi, bình hấp thụ, bình trao đổi nhiệt dung dịch, bơm dung dịch, van tiết lưu dung dịch loãng và van tiết lưu môi chất lạnh.
Trong đó, i Entanpy riêng (kJ/kg); m Lưu lượng khối lượng (kg/s)
Các phương trình cân bằng năng lượng và cân bằng lưu lượng khối lượng giữa các dòng môi chất lạnh, cùng với độ chênh nhiệt độ trung bình log của bình hấp thụ, được sử dụng để tính toán diện tích trao đổi nhiệt cho từng bộ phận trong hệ thống.
Van tiết lưu giúp giảm áp suất và tạo ra hai mức áp suất khác nhau mà không có sự trao đổi nhiệt của lưu chất làm việc Entanpy của lưu chất trước và sau van tiết lưu giữ nguyên, cho thấy rằng quá trình thay đổi áp suất giữa hai điểm của van không diễn ra với sự thay đổi năng lượng.
Trong quá trình thay đổi lưu lượng khối lượng, hiện tượng đoạn nhiệt xảy ra khi thể tích có sự biến đổi do lưu chất bị hóa hơi một lượng nhỏ (flashing).
Bộ trao đổi nhiệt dung dịch
Năng suất cần thiết để chuyển lưu lượng khối lượng dung dịch m2 từ áp suất P2 lên áp suất
Quá trình bơm dung dịch dẫn đến sự gia tăng nhẹ về entropy và enthalpy ở đầu đẩy Do đó, việc cân bằng năng lượng trong quá trình bơm dung dịch có thể được tính toán thông qua ống chiết tách.
Hoạt động của hệ thống được đánh giá theo phương trình hệ số entanpy như sau [14]:
Trong đó, i là entanpy của lưu chất theo áp suất cho trước; il và iv lần lượt là entanpy của lưu chất lỏng bão hòa và hơi bão hòa tại cùng áp suất Từ định nghĩa χ, có thể xác định trạng thái của lưu chất: χ < 0 biểu thị trạng thái quá lạnh, χ = 0 là lỏng bão hòa, 0 < χ < 1 cho thấy hai pha, χ = 1 là hơi bão hòa, và χ > 1 là trạng thái quá nhiệt.
Hiệu suất của hệ thống [22], [30], [13], [11], [14], [12], [52], [53], [54]
Hệ số hiệu quả nhiệt (COP) của máy lạnh là tỷ lệ giữa năng suất nhiệt thu được từ môi trường cần làm lạnh qua bộ bay hơi và năng suất nhiệt cung cấp vào bình sinh hơi để vận hành chu trình.
Qe Năng suất lạnh (kW)
Qg Năng suất nhiệt cấp vào bình sinh hơi (kW)
Hiệu suất làm lạnh dung dịch nước muối trong mỗi bước tính (5 phút)
Hệ số hiệu quả làm lạnh nước muối của máy lạnh COPu là tỉ số giữa nhiệt lượng bay hơi của
NH3 để làm lạnh nước muối so với nhiệt lượng cấp vào bình sinh hơi để vận hành chu trình
QNaCl Nhiệt lượng bay hơi của NH3 để làm lạnh nước muối (kJ)
Qg_J Nhiệt lượng cấp vào bình sinh hơi (kJ)
Khi thiết kế hệ thống, bình ngưng tụ và bình hấp thụ nên được thiết kế hoạt động ở 3÷5 o C cao hơn nhiệt độ môi trường (nhiệt độ nước giải nhiệt) [55]
Lưu đồ thuật toán của hệ thống
Sau đây là Lưu đồ thuật toán mô phỏng máy lạnh hấp thụ NH3-H2O một cấp được chọn lựa để thiết kế
Lưu đồ thuật toán mô phỏng máy lạnh hấp thụ gồm 3 phần chính được giới thiệu như sau:
Nhập các thông số đầu vào theo điều kiện nhiệt độ hoạt động của từng bộ phận: bay hơi, ngưng tụ, hấp thụ, sinh hơi (-20 o C < te < 0 o C, 28 o C < tc < 40 o C, 25 o C < ta < 40 o C, 90 o C < tg
Năng suất nhiệt cấp vào bình sinh hơi Qg (kW)
Thuật toán: Tính các giá trị cần thiết theo 30 phương trình hệ thống (Từ phương trình 3.3 ÷ 3.22) và 9 phương trình nhiệt động (Từ phương trình 2.1 ÷ 2.9)
Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán mô phỏng máy lạnh hấp thụ NH3-H2O
Để xác định áp suất bão hòa của hơi NH3 gần như nguyên chất (P11) theo nhiệt độ ngưng tụ (tc) và nồng độ hơi NH3 (C10), cần thực hiện các phép tính lặp Các giá trị áp suất được sắp xếp theo thứ tự P6 > P11 > P1 > P2 và được xác định lại bằng thực nghiệm Ngoài ra, các áp suất khác như P7, P5, P9, P3, P4 và P10 cũng được xác định trong quá trình nghiên cứu.
Xác định được nồng độ dung dịch loãng Cw theo t6, P6 Từ đây, tính chất nhiệt động tại các trạng thái 6, 5, 9, 10, 11, 13 được tìm
Để xác định nồng độ dung dịch đặc Cs theo t2 và P2, cần kiểm tra điều kiện ΔC = Cs – Cw > 0 để đảm bảo máy lạnh hấp thụ hoạt động hiệu quả Từ đó, các tính chất nhiệt động tại các trạng thái 2, 1, 12, 3, 7, 8, 4 sẽ được tìm ra Nhiệt độ tại điểm 1 được lấy theo số liệu đo thực tế, trong khi nhiệt độ tại các điểm khác trong hệ thống sẽ được xác định dựa trên các giá trị đo thực tế t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8, t11, t12, t13.
Xác định được lưu lượng khối lượng hơi ra khỏi bình sinh hơi m5, lưu lượng khối lượng nước tách được từ ống tách quay về bình sinh hơi m9
Để đảm bảo tính cân bằng năng lượng trong hệ thống, cần tính toán cho tất cả các bộ phận như ống tách, bộ trao đổi nhiệt dung dịch, bình ngưng, bình hấp thụ, bình sinh hơi, bơm dung dịch và tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh Điều này giúp đảm bảo tổng năng lượng cấp vào bằng tổng năng lượng phát ra.
Năng suất lạnh Qe (kW), năng suất bình ngưng tụ Qg (kW) và năng suất bình hấp thụ Qa (kW) là các chỉ số quan trọng trong hệ thống làm lạnh Hệ số hiệu quả nhiệt của máy (COP) và hệ số hiệu quả làm lạnh nước muối (COPu) cũng đóng vai trò thiết yếu trong việc đánh giá hiệu suất của thiết bị.
Nồng độ dung dịch đặc Cs, Nồng độ dung dịch loãng Cw, bội số tuần hoàn f
Kết quả mô phỏng
Trong quá trình thay đổi nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh trong bộ bay hơi, nhiệt độ dung dịch trong bộ sinh hơi tăng, dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng của hệ số hiệu quả COP, đạt giá trị cực đại Tuy nhiên, nếu nhiệt độ sinh hơi tiếp tục tăng, COP sẽ giảm Hệ thống có nhiệt độ bay hơi càng thấp thì nhiệt độ sinh hơi khởi động càng cao, làm giảm giá trị cực đại của COP Theo hình 3.2, với tc = 33 o C và ta = 4 o C, nhiệt độ sinh hơi tối ưu tg_opt đạt được các giá trị [97, 106, 111, 116, 122] (o C), tương ứng với hệ số hiệu quả nhiệt tối ưu COPopt là [0,51; 0,476; 0,46; 0,446; 0,433] khi nhiệt độ bay hơi lần lượt là te.
Mô phỏng sự thay đổi hệ số hiệu quả nhiệt của dung dịch NH3-H2O trong bình sinh hơi cho thấy rằng khi nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh NH3 đạt -19 oC, cùng với nhiệt độ ngưng tụ là 33 oC và nhiệt độ hấp thụ là 34 oC, thì nhiệt độ sinh hơi ở 120 oC sẽ giúp hệ số hiệu quả của máy lạnh hấp thụ đạt giá trị cực đại.
Yêu cầu về làm lạnh và điều kiện vận hành đã được tích hợp vào chương trình tính toán ban đầu, nhằm xác định thiết kế và nồng độ dung dịch nạp phù hợp với hệ thống thiết kế.
Hình 3.2 COP theo nhiệt độ sinh hơi và nhiệt độ bay hơi của mô phỏng
Năng suất của các bộ phận trong hệ thống bao gồm bay hơi, ngưng tụ, hấp thụ, sinh hơi và ống chiết tách lần lượt được xác định là Qe = 1,75kW, Qc = 2,01kW, và Qa Bên cạnh đó, năng suất bơm dung dịch và hệ số hiệu quả nhiệt của hệ thống cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
= 3,0938kW; Qg = 4kW; Qd = 0,66kW; Qp_out = 0,016kW; COP = 0,437 Bội số tuần hoàn f 8,88
Từ mô phỏng hệ thống tại COP cực đại, nồng độ dung dịch loãng Cws được xác định là 26,7%, trong khi nồng độ dung dịch đậm đặc Css là 36,5% Nồng độ dung dịch hoạt động trung bình trong máy lạnh đạt 31,6% Vùng dung dịch nạp được định hướng trong khoảng 29,5 ÷ 32,5%, và các thí nghiệm để xác định nồng độ dung dịch nạp phù hợp sẽ được thực hiện trong phạm vi này.
Máy lạnh hấp thụ được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh để hoạt động ổn định, đảm bảo thực hiện các thí nghiệm cho bình hấp thụ Năng suất nhiệt cấp vào bình sinh hơi Qg là yếu tố quan trọng trong quá trình hoạt động của máy.
= 4 ÷ 6kW Diện tích trao đổi nhiệt của các bộ phận được thiết kế và chế tạo theo bảng 3.2
Bảng 3.1 Các điểm trạng thái của máy lạnh hấp thụ theo mô phỏng Điểm NH 3 -H 2 O p (bar) t ( o C) C (%) i (kJ/kg) m (kg/s) V (l/p) χ Trạng thái
Kết luận
Trong chương 2, tác giả phân tích lý thuyết cơ bản về chu trình lạnh hấp thụ và mô phỏng hoạt động của máy lạnh hấp thụ, giúp người đọc hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động và ứng dụng của công nghệ này.
- Phát triển mô hình toán và viết lưu đồ thuật toán cho sơ đồ thiết kế máy lạnh hấp thụ
Định hướng nồng độ nạp dung dịch cần đạt từ 29,5% đến 32,5% Các nồng độ dung dịch loãng được xác định là Cws = 26,7%, trong khi nồng độ dung dịch đậm đặc là Css = 36,5% Nồng độ trung bình trong máy lạnh hiện tại là 31,6%.
Để đảm bảo máy lạnh hấp thụ hoạt động ổn định và thực hiện các thí nghiệm cho bình hấp thụ, cần tính toán và thiết kế các bộ phận của máy một cách chính xác Việc này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất làm việc mà còn đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình thí nghiệm.
Bảng 3.2 Diện tích các bộ phận của máy lạnh hấp thụ chế tạo
Sinh hơi 4/ 6 Ống chiết tách 0,7/ 0,89 0,042/ 0,054 0,06 1,42/ 1,1
Trao đổi nhiệt dung dịch 4/ 6 0,9/ 1,37 1 1,11/ 0,73
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG
Bình hấp thụ
Bình hấp thụ được chọn lựa phải đảm bảo:
1 Kết cấu và bố trí các dòng: Một cụm ống gồm các dãy ống ngang xếp chồng lên nhau theo trục đứng Dung dịch NH3-H2O loãng và hơi NH3 ngược chiều Ống có đường kính Φ9,6mm bước dọc tối ưu là 20mm; bước ngang 13mm
2 Diện tích mặt tiếp xúc lỏng hơi lớn do dung dịch loãng nhiễu và lan rộng trên các ống giải nhiệt rồi tiếp tục nhiễu xuống các hàng ống tiếp theo theo chiều dọc Bề mặt ống giải nhiệt được thổi cát để tăng độ dẫn ướt bề mặt
3 Tăng sự phân phối đồng đều của dòng dung dịch loãng bằng cách khoan lỗ Φ1,2mm thẳng hàng; bước lỗ 4mm sao cho dung dịch loãng ra khỏi ống phân phối chậm, kết màng, rồi nhiễu xuống đều
Bản vẽ 3 chiều trong Hình 4.1a minh họa cách bố trí các tầng ống song song của bộ hấp thụ Hình 4.1b cho thấy vỏ bình hấp thụ có thể có dạng hình trụ tròn hoặc hình hộp Sau khi tiến hành chế tạo và thử nghiệm, vỏ bình hình trụ tròn bộc lộ nhiều nhược điểm như thể tích lớn, khó bố trí ống phân phối dung dịch, cấu tạo phức tạp với nhiều mối hàn, không đảm bảo kín và khó chế tạo Do đó, vỏ bình hấp thụ hình hộp chữ nhật được lựa chọn vì nó khắc phục hầu hết các nhược điểm của vỏ hình trụ tròn.
Hình 4.1 Bản vẽ cấu tạo bình hấp thụ
Các ống giải nhiệt được hàn vào hai tấm phẳng theo hàng, với các hàng được sắp xếp theo trục đứng song song Bên cạnh đó, các ống phân phối hơi và dung dịch loãng được bố trí ở hai đầu của hệ thống.
Hình 4.2 Bản vẽ chế tạo bình hấp thụ
Theo hình 4.3a, khi bề mặt các ống giải nhiệt của bình hấp thụ chưa được thổi cát, các dòng lỏng không thấm ướt toàn bộ bề mặt và có xu hướng tập trung hai bên, dẫn đến việc nước bị bắn ra ngoài ống, làm giảm hiệu suất hoạt động của bình hấp thụ Hơn nữa, giai đoạn hình thành màng gợn sóng và giọt rất ngắn, trong khi giai đoạn rơi lại kéo dài, không thuận lợi cho quá trình hấp thụ.
Bề mặt ống giải nhiệt của bình hấp thụ, sau khi được thổi cát, cho thấy các dòng lỏng đã thấm ướt hầu hết bề mặt ống Điều này dẫn đến sự hình thành màng gợn sóng, sự hình thành giọt, và giai đoạn rơi diễn ra hiệu quả hơn.
Hình 4.3 Thử màng nước chảy trên chùm ống giải nhiệt
Bình hấp thụ chế tạo được mô tả trong Hình 4.4a, bao gồm một ống góp trên để cung cấp dung dịch NH3-H2O loãng vào tầng ống phân phối ở đỉnh bình, và một ống góp dưới để cung cấp hơi.
Trong quá trình hấp thụ, NH3 được đưa vào tầng ống phân phối ở đáy bình và 28 tầng ống giải nhiệt, cho phép dung dịch NH3-H2O chảy từ trên xuống để hấp thụ hơi NH3 từ dưới lên Hình 4.4 b minh họa mặt trước của bình hấp thụ với hai lỗ quan sát.
Bình sinh hơi
Bình sinh hơi có cấu trúc tương tự như lò hơi cỡ nhỏ, với chức năng chính là chuyển hóa các dạng năng lượng khác nhau thành nhiệt năng.
Truyền nhiệt là quá trình làm tăng nhiệt độ của chất tải nhiệt hoặc môi chất từ trạng thái lỏng có nhiệt độ thấp lên mức cao hơn, đạt đến trạng thái hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt.
Nguồn nhiệt trong máy từ điện trở cho phép tác giả kiểm soát thí nghiệm, đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ lưu chất đến hiệu quả làm việc của máy trong quá trình sản xuất nước đá ổn định.
4.2.1 Tính thể tích bình sinh hơi
Hình 4.4 Ảnh bình hấp thụ đã chế tạo
Môi chất NH3 có tính ăn mòn đối với kim loại màu và hoạt động ở áp suất tối đa 13 bar cùng với nhiệt độ cao nhất 110°C trong bình sinh hơi Thể tích hỗn hợp NH3 và H2O trong bình đạt 20,02 lít.
Vì những lý do trên nên thiết kế chọn vật liệu làm bình sinh hơi là thép đen kí hiệu: 20K, với kích thước như sau:
- Thể tích bình sinh hơi: V BSH r 2 h 0,13 2 0,55 0,03 m 3 30 l
- Đường kính ngoài bình sinh hơi: 320mm
- Đường kính trong bình sinh hơi: 260mm
- Chiều cao bình sinh hơi: 550mm
4.2.3 Kiểm tra bền cho bình sinh hơi
- Nhiệt độ kiểm tra: tv = tb = 250 o C
- Áp suất kiểm tra: p = 20bar
- Ứng suất cho phép: σ* = 13,2kg/mm 2
- Hệ số bền vững, vì là hàn điện nên chọn: φ = 0,7
- ƞ = 0,9 nếu thân ba lông bị đốt nóng
- Trong đó: tv là nhiệt độ vách, tb là nhiệt độ bão hòa của môi chất nằm trong bao hơi
Chiều dày thân lò được xác định theo công thức:
Với ứng suất cho phép:
Vậy chọn S = 5mm để đảm bảo bền cho bình sinh hơi.
Bình chứa
4.3.1 Tính thể tích bình chứa
Inox 304 có hàm lượng carbon thấp, làm cho nó lý tưởng cho các ứng dụng trong môi trường chống ăn mòn và các mối hàn quan trọng Do đó, inox 304 thường được sử dụng để chế tạo bình chứa, đảm bảo độ bền và độ an toàn cao.
Bảng 4.1 Ứng suất định mức cho phép của thép cacbon và thép hợp kim
T v ( o C) Ứng suất định mức cho phép của thép,σ* kg/mm 2 Thép carbon và thép hợp kim chịu nhiệt
⁎ Tính thể tích bình chứa:
Nhiệt lượng hạ nhiệt độ từ 30 ÷ 0 o C:
Nhiệt lượng nước đá đông đặc:
Nhiệt lượng nước đá hạ xuống -5 o C:
Cp = 3,31kJ/(kg.K) (Nước đá ở -5 o C)
Khối lượng NH3 vào bình chứa: m = = = 0,87kg
Ta cộng thêm 0,5kg để dự trữ: m + 0,5 = 1,37kg
Ta chọn kích thước sau:
Bảng 4.2 Thành phần hóa học của inox 304
4.3.2 Tính kiểm tra bền cho bình chứa
- Nhiệt độ kiểm tra: tv = tb = 250 o C
- Áp suất kiểm tra: p = 20bar
- Ứng suất cho phép: σ* = 50kg/mm 2
- ƞ = 1 nếu thân ba lông không bị đốt nóng
- tv là nhiệt độ vách, tb là nhiệt độ bão hòa của môi chất
Chiều dày thân lò được xác định theo công thức:
Với ứng suất cho phép:
Vậy chọn S = 3mm là đảm bảo bền
Bình ngưng tụ
4.4.1 Tính diện tích trao đổi nhiệt
Phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ:
QK = Gw.Cpw.(tw4-tw3) [kW]
QK = KK.FK.ttbK [kW]
Gw: Lưu lượng khối lượng của nước làm mát thiết bị ngưng tụ
Nhiệt dung riêng đẳng áp của nước làm mát được xác định là Cpw = 4,186 kJ/(kg.độ) Nhiệt độ vào và ra của nước làm mát từ giếng chảy vào bể nước ngưng lần lượt là tw1 = 25,6 °C và tw2 = tw1 + Δtw = 25,6 + 2 = 27,6 °C, với Δtw = 2 °C.
Nhiệt độ trung bình của nước: tw = (tw3+tw4)/2 = (25,6+27,6)/2 = 26,6 o C tK: Nhiệt độ ngưng tụ: tK = 33 o C
FK: Diện tích truyền nhiệt của thiết bị hấp thụ, (m 2 )
4.4.2 Thiết kế bình ngưng tụ
Chọn các thông số kết cấu:
Các ống được uốn cong tại các đầu bước ống S = 40mm
Diện tích xung quanh của ống trao đổi nhiệt ứng với chiều dài la = 0,7m
Tổng số ống của thiết bị ngưng tụ
Chọn tổng số ống 16 ống
Chọn số dãy ống: n= 4 dãy
Số ống trong một dãy: 4 ống
Chiều cao của dàn ngưng: H = 4.0,04 = 0,16m
4.4.3 Tính kiểm tra bền cho bình ngưng tụ
- Nhiệt độ kiểm tra: tv = tb = 250 o C
- Áp suất kiểm tra: p = 20bar
- Ứng suất cho phép: σ* = 13,2kg/mm 2
- Hệ số bền vững, vì là hàn điện nên chọn: φ = 0,7
- ƞ = 0,9 nếu thân ba lông bị đốt nóng
- Trong đó: tv là nhiệt độ vách, tb là nhiệt độ bão hòa của môi chất nằm trong bao hơi
Chiều dày bình ngưng tụ được xác định theo công thức:
Với ứng suất cho phép:
Bảng 4.3 Ứng suất định mức cho phép của thép cacbon và thép hợp kim
T v ( o C) Ứng suất định mức cho phép của thép,σ* kg/mm 2 Thép carbon và thép hợp kim chịu nhiệt
Vậy chọn S = 5mm để đảm bảo bền cho bình sinh hơi.
Bộ bay hơi
4.5.1 Tính diện tích trao đổi nhiệt
Nhiệt độ nước muối vào:
Nhiệt độ nước muối ra:
Nhiệt độ trung bình của nước muối:
Nhiệt độ sôi của lỏng môi chất: Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit
Hệ số toả nhiệt của nước muối:
Thông số của chất tải lạnh (NaCl), ở nhiệt độ -8 o C có nồng độ NaCl = 21,2%: Nhiệt dung riêng: cp = 3,312kJ/kg
Hệ số dẫn nhiệt: = 0,5312W/(m.K) Độ nhớt động: = 3,692.10 -6 m 2 /s
Chọn ống bộ bay hơi là ống thép trơn Đường kính trong: d1 = 20mm Đường kính ngoài: d2 = 22mm
Chọn tốc độ chuyển động nước muối trong bể: m = 0,6m/s
Nước muối chuyển động bên ngoài chùm ống đứng bố trí song song
Num = 0,26.Rem 0,65.Prm 0,33.(Prf/Prw) 0,25
Hệ số ảnh hưởng của bước ống, chùm ống song song (ε)
(Prf/Prw) 0,25 = 1, xem nhiệt độ nước muối gần bằng nhiệt độ vách ống
Trị số Reynold của nước muối:
Vậy hệ số tỏa nhiệt về phía nước muối tính theo bề mặt ngoài:
Hệ số tỏa nhiệt của môi chất lạnh:
Hệ số tỏa nhiệt của khi sôi trong ống
Mật độ dòng nhiệt về phía chất tải lạnh (nước muối):
- nhiệt trở của vách ống và cặn bã
Có thể coi nhiệt độ chênh trung bình là chênh lệch nhiệt độ nước muối và nhiệt độ bay hơi
Gọi chênh lệch nhiệt độ vách và nhiệt độ bay hơi
Vậy mật độ dòng nhiệt đi qua nước tải lạnh là:
Suy ra mật độ dòng nhiệt về phía môi chất lạnh: Ở chế độ ổn định: q 1 q 2
Giải phương trình trên bằng phương pháp lặp tìm được:
Vậy mật độ dòng nhiệt về phía nước muối
Mật độ dòng nhiệt về phía về phía môi chất:
Sai số khi giải bằng phương pháp lặp:
Hệ số toả nhiệt của chất tải lạnh:
Hệ số truyền nhiệt của thiết bị bay hơi ống trơn xem như vách phẳng:
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt:
Theo phần I: Chiều cao bể đá C = 600mm.Ta đặt bộ bay hơi theo khuôn đá khoảng cách từ ống góp dưới đến đáy bể 60mm
Phần trên để nước muối không tràn vào đá hay ra môi trường bên ngoài,ta chọn khoảng cách từ miệng khuôn đến miệng bể đá là 60mm
Như vậy chiều cao của bộ bay hơi là: 400mm
Chọn đường kính ống góp trên đến ống góp dưới:
Tổng chiều dài đường ống:
Hiện nay, có nhiều loại thiết bị bay hơi phổ biến như thiết bị bay hơi ống chùm nằm ngang, thiết bị bay hơi kiểu ngập và kiểu dàn Việc không sử dụng bình bay hơi là do nó làm cho hệ thống trở nên cồng kềnh, cần thêm vòng tuần hoàn nước muối với bơm, ống dẫn và bình bay hơi để làm lạnh Nước muối có tính ăn mòn cao, đặc biệt khi tiếp xúc với không khí, dẫn đến nguy cơ hư hỏng Hơn nữa, việc khoét kết cấu bể đá để tạo vòng tuần hoàn nước muối dễ khiến bể muối bị xì hở Trong khi đó, bộ bay hơi đặt ngập trong bể nước muối giúp hạn chế và tránh những vấn đề này.
Trong bài viết này, chúng tôi tập trung vào bộ bay hơi ống đứng, bao gồm hai ống góp: ống góp hơi ở phía trên và ống góp lỏng ở phía dưới Giữa hai ống góp này là các ống thẳng đứng chứa môi chất lạnh đang sôi bên trong.
Ống chiết tách
Để tách hơi nước cuốn theo hơi NH3 trong quá trình sinh hơi, cần sử dụng thiết bị tinh luyện Ống chiết tách được thiết kế với 16 tầng ống nước giải nhiệt bố trí so le, kèm theo các tấm chắn xếp xen kẽ, nhằm thu được hơi NH3 gần như tinh khiết.
Bộ trao đổi nhiệt dung dịch
4.7.1 Tính diện tích trao đổi nhiệt
Phụ tải nhiệt của bộ trao đổi nhiệt dung dịch:
Trong đó: khn: Hệ số truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt dung dịch, [W/(m 2 K)]
Fhn: Diện tích truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt dung dịch, (m 2 )
ttbhn: Độ chênh nhiệt độ trung bình, ( o C)
Diện tích trao đổi nhiệt của bộ trao đổi nhiệt dung dịch:
Với ; đường kính ngoài và đường kính trong của bộ trao đổi nhiệt dung dịch
Chọn chiều dài ống là 0,8m thì số ống nối liên tục 22 ống
Bộ trao đổi nhiệt dung dịch được sử dụng để tận dụng nhiệt từ dung dịch loãng của thiết bị sinh hơi, nhằm gia nhiệt cho dung dịch đậm đặc sau khi rời thiết bị hấp thụ Mục tiêu chính là giảm lượng nhiệt cần cấp cho thiết bị sinh hơi và giảm lượng nước làm mát cho thiết bị hấp thụ.
Do cả hai môi chất trao đổi nhiệt đều ở trạng thái lỏng, thiết bị kiểu ống lồng ống là lựa chọn tối ưu Dung dịch đậm đặc cần được gia nhiệt sẽ lưu thông trong ống trong, trong khi dung dịch loãng cần làm nguội sẽ di chuyển trong không gian giữa hai ống Hai dòng dung dịch này sẽ chuyển động ngược chiều nhau.
Thiết bị được chế tạo bằng vật liệu là inox, ống trong của bộ trao đổi nhiệt dung dịch có
20/24mm Ống ngoài của bộ trao đổi nhiệt dung dịch có 38/42mm.
Kết luận
Mô hình máy lạnh hấp thụ đơn giản đã được chế tạo, hoạt động ổn định và có khả năng sản xuất nước đá ở nhiệt độ từ -5 đến -18 độ C Các bộ phận thiết kế và chế tạo của mô hình này được liệt kê chi tiết trong bảng 4.4.
Hình 4.10 Bộ trao đổi nhiệt dung dịch
Mạch điều khiển của hệ thống được thiết kế, lắp đặt theo yêu cầu vận hành của máy lạnh hấp thụ
Bảng 4.4 Các bộ phận của mô hình máy lạnh hấp thụ chế tạo
STT Tên thiết bị Chiều cao (m)
Chiều dài (m) Độ dày (m) Đường kính (m)
Diện tích trao đổi nhiệt (m 2 )
7 Bộ trao đổi nhiệt dung dịch 0,6 0,3 1,5 1
