Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Vấn đề năng lượng hiện nay đang trở thành mối quan tâm hàng đầu tại Việt Nam và trên toàn thế giới Giải pháp chế tạo hệ thống sản xuất nước đá bằng năng lượng mặt trời không chỉ phù hợp với điều kiện thực tế của nước ta mà còn giúp bảo vệ môi trường Đồng thời, giải pháp này nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị năng lượng mặt trời, ứng dụng thực tiễn và giải quyết nhu cầu năng lượng trong tương lai.
Những đóng góp về mặt khoa học
Nghiên cứu và phát triển hệ thống lạnh phù hợp với khí hậu Việt Nam là cần thiết, đặc biệt trong việc sử dụng năng lượng mặt trời như nguồn năng lượng mới Hệ thống này không chỉ đáp ứng nhu cầu sử dụng lạnh mà còn phục vụ cho những khu vực vùng sâu, vùng xa, nơi chưa có điện lưới.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu: Chế tạo được hệ thống sản xuất nước đá sử dụng năng lượng mặt trời phù hợp với các chỉ tiêu:
Tạo ra sản phẩm nước đá theo đúng yêu cầu
Giảm được ô nhiễm môi trường và chi phí năng lượng
Đề tài này không chỉ là mô hình thực nghiệm dành cho sinh viên ngành Nhiệt – Điện lạnh tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, mà còn đóng vai trò là một nghiên cứu khoa học quan trọng, tạo điều kiện cho nhóm nghiên cứu hoàn thành khóa luận tốt nghiệp.
Tìm hiểu về các loại hệ thống lạnh hấp phụ
Sử dụng năng lượng mặt trời để tiết kiệm và bảo vệ môi trường
Chế tạo mô hình hệ thống lạnh hấp phụ với chi phí thấp nhất
Giả thuyết nghiên cứu
Tiết kiệm một lượng lớn năng lượng điện.
Đem lại hướng mới trong việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời
Kết quả đạt được là sự khẳng định kiến thức khoa học công nghệ hiện đại.
Khách thể nghiên cứu
Năng lượng mặt trời và các ứng dụng của năng lượng mặt trời.
Ảnh hưởng của môi trường xung quanh như nhiệt độ, thời tiết,…
Phương pháp và phương tiện sử dụng trong nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm
Phương pháp khảo sát và tham khảo ý kiến
Phương pháp phân tích – thống kê
Và các phương tiện nghiên cứu:
Tài liệu chuyên ngành thông qua thư viện, nhà sách, mượn bạn bè, tham khảo Thầy Cô, tìm kiếm trên mạng Internet,…
Những thiết bị và đồ nghề trong xưởng Nhiệt như nhiệt kế, máy hút chân không,đồng hồ nạp môi chất, máy hàn, máy cắt,…
TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ MÁY LẠNH HẤP PHỤ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG THAN HOẠT TÍNH - METHANOL 1 Tính toán và thiết kế bộ collector năng lượng mặt trời dùng cho máy lạnh hấp phụ 1.1 Các loại collector năng lượng mặt trời 1.2 Cấu tạo collector loại tập trung kiểu ống trụ đặt cố định 1.3 Phương trình cân bằng nhiệt của bộ thu 1.4 Tính toán chọn kích thước bộ thu 1.5.Tính tổn thất nhiệt toàn phần U l của bộ thu 1.5.1 Tổn thất nhiệt qua mặt đáy U d 1.5.2 Tổn thất nhiệt qua các thành bên U b 1.5.3 Tổn thất cho mặt trên U t 1.6.Hướng và góc nghiêng của collector trong hệ thống 2 Tính toán và thiết kế hệ thống sản xuất nước đá 2.1 Tính toán dàn bay hơi 2.1.1 Tính toán kích thước dàn bay hơi 18 2.1.2 Tính cách nhiệt cho vách 2.1.3 Tính cách nhiệt cho đáy 2.1.4 Tính cách nhiệt cho nắp 2.2 Tính nhiệt dàn bay hơi 2.2.1 Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che 2.2.2 Tổn thất nhiệt do làm đông đá
Tổn thất nhiệt do làm lạnh khuôn đá
M – tổng khối lượng khuôn đá, kg.
Nhiệt dung riêng của khuôn CPk là 460 J/kg, do khuôn được làm bằng inox Nhiệt độ ban đầu của khuôn tk1 có thể lấy bằng nhiệt độ nước, tức là 30 °C Sau khi đá hoàn thiện, nhiệt độ khuôn tk2 sẽ thấp hơn nhiệt độ trung bình của đá khoảng 3 °C, cụ thể là tk2 = t2 – 3 = -5 – 3 = -8 °C.
Khối lượng khuôn được tính theo công thức: M = ρ K V K (kg)
Trong đó: ρ K – khối lượng riêng của khuôn Vì khuôn là inox nên ρ K x50 kg/m 3 δ K – chiều dày của khuôn δ K = 0,001 m.
F b – diện tích của mặt bên khuôn Mặt bên của khuôn hình trụ tròn.
Fd- diện tích mặt đáy khuôn, là hình tròn đường kính 0,09m và đường kính trong 0,07 m.
Fb = (F xq lớn + F xq nhỏ) + (F đáy lớn + F đáy nhỏ)
Suy ra khối lượng của khuôn là: M = 7850*0,001*0,3742 =2,93747 kg
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Vậy nhiệt làm lạnh khuôn là: Q = 2, 93747
Do đó nhiệt làm đông đá và làm lạnh khuôn là Q2 = 21,74 + 1,18859 = 22,92859 W Tổng công suất nhiệt tổn thất là Q = Q1 + Q 2 = 7,7609+ 22,92859 = 30,68949 W
Do thời gian hoạt động của thiết bị, tổn thất nhiệt qua các ống không được cách nhiệt ảnh hưởng đến hiệu suất làm lạnh của hệ thống Do đó, cần phải điều chỉnh năng suất lạnh bằng cách tính lại với các hệ số bổ sung: Q = ,W.
Trong hệ thống làm lạnh trực tiếp, hệ số k được xác định để tính đến tổn thất trên đường ống và thiết bị, với giá trị k = 1,02 khi nhiệt độ bay hơi của môi chất là t0 = -10 Hệ số b đại diện cho thời gian làm việc, và đối với các hệ thống lạnh nhỏ, b có giá trị là 0,8.
Nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho dàn bay hơi trong suốt thời gian làm việc của hệ thống: Q’ = Q 0 τ = 39,1291 43200 = 1690377,12 J
Từ đó ta có thể suy ra lượng rượu cần cung cấp theo công thức: M mc = Q r'
Với r - nhiệt ẩn hoá hơi của rượu methanol phụ thuộc vào hiệu nhiệt độ tới hạn tth và nhiệt độ bay hơi t 0 của rượu Ta có t th – t 0 = 240 -(-10) = 250 0 C.
Suy ra nhiệt ẩn hoá hơi là r = 290 kcal/kg = 1214172 J/kg.
Vậy M mc với ρ - khối lượng riêng của rượu, ta có ρ = 792 kg/m 3
Hình – Kết cấu dàn bay hơi thực tế
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC
Tính toán thiết bị ngưng tụ
2.3.1 Chọn loại thiết bị ngưng và nhiệt độ ngưng tụ
Nhiệt độ ngưng tụ chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường làm mát của thiết bị Chúng tôi đã chọn hệ thống làm mát bằng không khí tự nhiên cho quá trình ngưng tụ Hiệu nhiệt độ ngưng tụ ∆t 1 giữa môi chất lạnh và không khí dao động từ 10 đến 15 độ C.
Chọn ∆t 1 = t s – t mt = 10 0 C Ta có t mt = 37,3 0 C
Dàn ngưng loại ống mỏng,nên có thể coi tw1=tw2 (nhiệt độ vách ngoài và trong bằng nhau)
2.3.2 Tính toán diện tích bề mặt trao đổi nhiệt.
Ta có phương trình truyền nhiệt: Q K = k * F * ∆t , W
Q K là phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ, đại diện cho lượng nhiệt cần thiết để ngưng tụ Mmc kg môi chất trong thời gian làm việc ban ngày Nhiệt lượng này tương đương với nhiệt lượng bay hơi của môi chất lạnh, được tính bằng công thức QK = Q0 = 39,1291 W, với kF1 là hệ số truyền nhiệt, có giá trị 39,1291 W/m²K Bài toán này tập trung vào quá trình ngưng tụ bên trong ống trơn, trong đó đường kính ngoài ống là 16mm và đường kính trong là 14,4mm.
Với: α 1 : hệ số toả nhiệt phía môi chất ngưng tụ trong ống α 2 : hệ số toả nhiệt về phía không khí bên ngoài
Bộ ngưng tụ làm mát bằng đối lưu tự nhiên được đặt bên ngoài, nơi có gió đối lưu, với hệ số truyền nhiệt α 2 đạt 8 W/m²·K Do tốc độ dòng hơi rất thấp, hệ số tỏa nhiệt khi ngưng được tính toán dựa trên điều này.
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Hệ số tỏa nhiệt bên trong được tính là α 1 = 0,943 g, với gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s² Hệ số dẫn nhiệt của màng môi chất ngưng được ký hiệu là λ (W/m.K), trong khi nhiệt ẩn hoá hơi của nước được ký hiệu là r (J/kg) Khối lượng riêng của nước được ký hiệu là ρ (kg/m³) và độ nhớt động học của nước là à (Ns/m²) Chiều cao ống được ký hiệu là l (m).
∆t 1 = t s - t w t s- nhiệt độ ngưng tụ của nước. t w - nhiệt độ bề mặt trong của ống, vì là ống mỏng, nên t w1 = t w2 , là nhiệt độ bề mặt bên ngoài và bên trong vách.
Nhiệt độ ngưng tụ của nước được xác định dựa trên các thông số vật lý, với nhiệt độ ngưng tụ được chọn cao hơn 10°C so với nhiệt độ môi trường Tại Tp Hồ Chí Minh, nhiệt độ không khí trung bình trong tháng nắng đạt 37,3°C, do đó, nhiệt độ ngưng tụ được lấy là 47,3°C.
Bảng 3.9 Các thông số vật lý của methanol.
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Kiểm tra lại độ chênh nhiệt độ t: q1=K*∆t= 7,95198*10 = 79,5198 W/m 2 q 1 =α 1 *∆t suy ra: ∆t 1
Gần đúng với chọn ∆t= 0,05 o C nên không cần tính lại.
Từ đó diện tích bề mặt trong ống truyền nhiệt của bộ ngưng tụ là: F = Ống có đường kính trong 0,0144m, dài 0,65m, ta tính số ống cần phải làm:
Vậy số ống là: n= 0,4921/0,03 = 16,4 ống
Cho an toàn ta chọn số ống là 18 ống
Dàn ngưng được chế tạo bằng các ống bằng INOX như hình vẽ
Tính toán quá trình hấp phụ
Dựa vào đường hấp phụ đẳng nhiệt của Benzen được trình bày trong Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – Tập 2, chúng ta có thể xây dựng đường hấp phụ đẳng nhiệt cho các chất khác Việc này giúp hiểu rõ hơn về tính chất và hành vi của các chất trong quá trình hấp phụ.
Methanol theo các công thức: a 2 = a 1 V 1
Trong đó: tính tung độ a
a 1 * - tung độ của cấu tử chuẩn, thường chọn là benzen, [kg/kg than]
a 2 * - tung độ cấu tử cần tính, kg/kg than.
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Công thức tính thể tích mol:
M – khối lượng phân tử (kg/kmol)
Khối lượng phân tử benzen là M 1 = 78 (kg/kmol)
Khối lượng phân tử của methanol là M 2 = 32 (kg/kmol)
Khối lượng riêng của benzen là ρ 1 = 879 (kg/m 3 )
Khối lượng riêng của methanol là ρ 2 = 792 (kg/m 3 )
2 4.2 Tính chọn hoành độ p lg p p1, p2: Áp suất riêng phần của hơi Benzen và Methanol (mmHg)
p S-1 - p suất hơi bão hòa của cấu tử benzen ở nhiệt độ T 1 , [mmHg]
p S-2 - p suất hơi bão hòa của cấu tử cần tính ở nhiệt độ T 2 , [mmHg]
T 1 , T 2 : Nhiệt độ của Benzen và methanol khi hấp phụ ( o K)
Ta có: Áp suất hơi bão hòa của benzen ở nhiệt độ T 1 là p s,1 = 75 (mmHg)
Cần đi tìm p S-2 Công thức áp suất hơi bão hòa được tính theo: lg pS-2 = a0 + a1.(T2 -1
- (7,9151-2,6726.lgT2).10 -3 -8,625.10 -7 T2), [Pa] Trong đó: a0 = 9,1716 và a1 = -2,7596.10 3
T 1 - nhiệt độ hấp phụ của benzen, (K) Chọn T 1 = 20 0 C = 293K.
T 2 - nhiệt độ hấp phụ của metanol, (K) Chọn T 2 = 30 0 C = 303K.
Thay vào công thức ta được: lg p S-2 = 9,1716+ (-2,7596.10 3 ).(303 -1 - (7,9151-2,6726.lg303).10 -3 -8,625.10 -7 303) = 4,3308 (Pa)
Suy ra :p S-2 = 10 4,3308 = 21419,04 Pa Hệ số ái lực (hệ số aphin) β được tính theo công thức:
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC
2.4.3 Đường hấp phụ đẳng nhiệt :
Chúng tôi đã lấy một số điểm trên đường đẳng nhiệt hấp phụ của Benzen và tính toán tọa độ tương ứng trên đường đẳng nhiệt hấp phụ của Methanol Kết quả thu được là bảng số liệu với các giá trị a 1 * (kg/kg) lần lượt là 0,103, 0,122, 0,208, 0,233, 0,262, và 0,276 Dựa vào các điểm này, chúng tôi đã vẽ đường hấp phụ đẳng nhiệt của Methanol với áp suất p (mmHg).
Từ đường hấp phụ đẳng nhiệt, chúng ta có thể xác định lượng than hoạt tính bằng cách tính áp suất bay hơi của rượu methanol và dựa vào đồ thị đường hấp phụ để tìm ra hoạt độ tĩnh a của rượu.
Nhiệt độ bay hơi của rượu methanol là T 0 = - 10 0 C = 263K
Vậy áp suất bay hơi của rượu được tính theo công thức : lgp = a 0 + a 1 (T -1 - (7,9151-2,6726.lgT).10 -3 -8,625.10 -7 T), [Pa]
Suy ra : lgp = 3,2294 => p = 1992,501 (Pa) => p = 14,945 (mmHg)
Suy ra hoạt độ tĩnh của methanol ở -10 0 C là a = 0,1430 (công thức gần đúng)
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Do đó lượng than cần chứa hết môi chất ở -10 0 C là: M
Khối lượng riêng xốp của than ta có ρ X 0 kg/m 3
Vậy thể tích của than là: V than
Bộ hấp thụ cần được thiết kế với khả năng chứa toàn bộ lượng than, với thể tích chứa than tối đa là 0,019 m³, nhằm đảm bảo hiệu quả hoạt động và tối ưu hóa quá trình thu hồi.
CHẾ TẠO, ĐO ĐẠC THÔNG SỐ VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG 3.1 Các vật liệu chế tạo
Nạp môi chất cho hệ thống
Trong quá trình chế tạo, việc làm việc trong điều kiện chân không cao (-750mmHg) đòi hỏi sự chú ý đặc biệt đến việc xử lý các mối hàn Sau khi kiểm tra độ kín, hệ thống sẽ được hút chân không Cần lưu ý rằng than hoạt tính có khả năng hấp phụ mạnh khí và hơi nước, do đó cần làm nóng bộ hấp phụ để loại bỏ hoàn toàn khí và hơi nước trong quá trình hút chân không Kiểm tra độ chân không cũng rất quan trọng, sử dụng máy hút chân không chuyên dụng để đạt được độ chân không 10 -6 mmHg và xác nhận bằng chân không kế Khi đã đảm bảo độ kín của hệ thống, tiến hành nạp 1,7 lít methanol vào hệ thống theo tính toán.
Kết quả thực nghiệm và hệ số làm lạnh COP
Khối lượng đá tạo ra được ký hiệu là m, trong khi nhiệt ẩn hoá hơi (ngưng tụ) của nước được biểu thị bằng r Hệ số hiệu quả làm lạnh, hay COP, được định nghĩa là tỷ số giữa năng lượng hữu ích và năng lượng toàn phần nhận được từ mặt trời Trong đó, Q e là nhiệt cần thiết cho dàn bay hơi nhằm làm đông đá.
Qh là tổng bức xạ mặt trời thu được cả bộ thu từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời lặn.
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: Ts HOÀNG AN QUỐC
Do khó khăn trong việc đo tổng năng lượng tới G của mặt trời do thiếu thiết bị, chúng tôi đã phát triển một bộ thí nghiệm sử dụng đèn chiếu sáng mô phỏng ánh sáng mặt trời Phương pháp này giúp duy trì cường độ bức xạ ổn định, từ đó việc tính toán tổng năng lượng tới trở nên dễ dàng hơn Kết quả tính toán cho giá trị Q’ là 1.690.377,12 J.
Thời gian cần thiết để làm bốc hơi hết lượng methanol trong bộ hấp thụ là 6 giờ.
Cường độ bức xạ đo được 917 w/m 2
Tổng năng lượng tới là: 0,4921*917*6*3600 = 9747123J.Vậy COP= 1690377,12
Mặc dù hệ số COP chỉ đạt 0,173, hiệu suất tối đa trong các nghiên cứu toàn cầu chỉ đạt trung bình 0,2 Nhóm chúng tôi đã sử dụng vật liệu chi phí thấp như sơn đen thông thường thay vì sơn chọn lọc hay bề mặt thu nhiệt đắt tiền được phủ Crôm đen, đặc biệt là trong những ngày nhiều mây không có sản phẩm đá.
