Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO
ĐạI HọC Đà NẵNG
-----------o0o------------

hoàng an quốc

NGHIÊN CứU NÂNG CAO HIệU QUả cấp nhiệt
bằng ống nhiệt mặt trời cho máy lạnh hấp thụ
H2O-LiBr loại single effect ở miền nam việt nam

Luận án tiến sĩ kỹ thuật

đà nẵng - 2009


Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO
ĐạI HọC Đà NẵNG
------------o0o--------------

hoàng an quốc

NGHIÊN CứU NÂNG CAO HIệU QUả cấp nhiệt
bằng ống nhiệt mặt trời cho máy lạnh hấp thụ
H2O-LiBr loại single effect ở miền nam việt nam
Chuyên ngành: Công nghệ và Thiết bị lạnh
Mã số: 62.52.80.05

Luận án tiến sĩ kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học
1. PSG.TS. lê chí hiệp

2. Mục đích nghiên cứu

2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2

4. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài..

2

5. Bố cục của luận án

3

Chương 1

Tổng quan

1.1 Tổng quan về điều hoà không khí bằng năng lượng mặt trời.
1.1.1 Các công trình nghiên cứu liên quan ở nước ngoài

4
4
.. 8

1.1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan ở trong nước.. 13
1.2 Tổng quan về bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống nhiệt 15
1.2.1 Các công trình nghiên cứu về ống nhiệt mặt trời ở nước ngoài


Chương 2 tính toán bộ thu nLMT kiểu ống nhiệt
2.1 Bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống nhiệt tấm phẳng 33
2.1.1 Cấu tạo của bộ thu 33
2.1.2 Các giả thiết khi nghiên cứu. 34
2.1.3 Phương trình cân bằng năng lượng... 34


2.1.4 Hiệu suất của bộ thu kiểu ống nhiệt tấm phẳng.. 39
2.1.5 Xác định các đại lượng. 41
2.1.6 Tính chọn kích thước của bộ thu... 42
2.2 Bộ thu Năng lượng mặt trời kiểu ống nhiệt ống chân không .. 44
2.2.1 Cấu tạo của bộ thu .. 44
2.2.2 Phương trình cân bằng năng lượng .. 45
2.2.3 Hiệu suất của bộ thu ống nhiệt ống chân không .. 47
2.2.4 Xác định các đại lượng 47
2.2.5 Tính chọn kích thước của bộ thu . 49
2.3 Lập chương trình tính toán . 50
2.3.1 Lựa chọn ngôn ngữ lập trình. 50
2.3.2 Xây dựng lưu đồ thuật toán.. 51
2.3.3 Xây dựng chương trình

53

2.3.4 Kết quả tính toán bằng phần mềm ..

55

2.3.5 Nhận xét .


3.2.2 Mô hình thực nghiệm và đánh giá sai số .

69

3.2.3 Nghiên cứu thực nghiệm đối với bộ thu loại 1-A

71

a. Mô tả thí nghiệm .

71

b. Kết quả thí nghiệm .

73

3.2.4 Nghiên cứu thực nghiệm đối với bộ thu loại 1-B

76

a. Mô tả thí nghiệm .

76

b. Kết quả thí nghiệm ...

76

3.2.5 Nghiên cứu thực nghiệm đối với bộ thu loại 1-C . .


b. Kết quả thí nghiệm ....

83

3.2.8 So sánh hiệu suất của các loại bộ thu

85

3.3 ảnh hưởng của lưu lượng nước đến hiệu suất của bộ thu kiểu ống nhiệt .86
3.4 So sánh hiệu suất của các bộ thu bằng thực nghiệm và bằng tính toán lý
thuyết Nhận xét kết quả thực nghiệm .

88

3.4.1 So sánh hiệu suất bộ thu kiểu ống nhiệt tấm phẳng . 88
3.4.2 So sánh hiệu suất bộ thu kiểu ống nhiệt ống chân không .

89

3.4.3 Nhận xét kết quả thực nghiệm ..

90

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CứU MÔ PHỏNG Hệ THốNG ĐIềU HOà KHÔNG
KHí BằNG NĂNG Lượng mặt trời

92

4.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng


106

5.2.1 Mô hình thực nghiệm .

106

5.2.2 Dụng cụ đo và phương pháp đánh giá sai số 108
5.3 Kết quả thí nghiệm ...

108

5.4 Nhận xét ..

113

Kết luận - Kiến nghị

115

Danh mục các công trình của tác giả
TàI liệu tham khảo..
Phụ lục




118
119




NLMT

Năng Lượng Mặt Trời

STR

System Thermal Ratio

NNSH

Nước Nóng Sinh Hoạt

2. Các ký hiệu:
Ký hiệu

Đơn vị

Tên đại lượng

A

[-]

Hệ số hấp thụ

C

[kJ/kgK]


Tỷ số diện tích bộ thu/công suất lạnh

'

[-]

Hệ số hiệu quả, hệ số nhận nhiệt

G

[kg/s]

Lưu lượng

g

[m/s2]

Gia tốc trọng trường

J

[-]

Tỷ số bức xạ

k

[-]



Công suất nhiệt

q

[W/m]

Mật độ dòng nhiệt trên một đơn vị
chiều dài

R

[K/W]

Nhiệt trở của ống nhiệt

R

[J/kgK]

Hằng số chất khí

R

[-]

Hệ số phản xạ

r


[W/m2K]

Hệ số toả nhiệt



[kg/m3]

Khối lượng riêng



[%]

Hiệu suất



[%]

Tỷ số nhiệt của hệ thống



[%]

Hệ số hiệu quả của hệ thống





bên, trực xạ

c, C ngưng tụ, lôi cuốn
d

đáy, tán xạ

e, E sôi, bay hơi
tb

trung bình


v

hơi

hp

ống nhiệt

p

cánh

tt

tổng



w

nguồn lạnh, nước cần gia nhiệt

z

nguồn nhiệt đốt nóng

sc

bộ thu năng lượng mặt trời

f

cánh

l

nước, chất lỏng

ng

ngang, ngoài

Các ký hiệu khác được giải thích theo từng chương.


Danh mục các hình vẽ



Hình 1.8: Quá trình hấp thụ bức xạ mặt trời của bộ thu kiểu lồng kính

24

Hình 1.9: Sự phụ thuộc của

DA vào góc tới và số lớp kính của bộ thu
DAn

Hình 1.10: Bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng

25
26

Hình 1.11: Số giờ nắng trung bình ngày của các tháng ở một số tỉnh
phía nam

27

Hình 1.12: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của ống nhiệt

29

Hình 2.1: Bộ thu kiểu ống nhiệt tấm phẳng

33

Hình 2.2: Nguyên lý cấu tạo bộ thu NLMT kiểu tấm phẳng


Hình 2.12: So sánh hiệu suất của hai bộ thu bằng phần mềm tính toán

55

Hình 2.13: So sánh kết quả tính toán từ phần mềm với hiệu suất của bộ thu của
Viện nghiên cứu Năng lượng Hàn Quốc

55

Hình 3.1: - (a) Sơ đồ bố trí thiết bị đo; - (b) Sơ đồ bố trí thí nghiệm

58

Hình 3.2: Nhiệt độ ở chế độ khởi động khi tỷ số nạp bằng 20%

59

Hình 3.3: Nhiệt độ ở chế độ khởi động khi tỷ số nạp bằng 30%

60

Hình 3.4: Nhiệt độ ở chế độ khởi động khi tỷ số nạp bằng 40%

62

Hình 3.5: Nhiệt độ ở chế độ khởi động khi tỷ số nạp bằng 50%

63

Hình 3.6: Nhiệt độ ở chế độ khởi động khi tỷ số nạp bằng 20%, 30%, 50% 65

78

Hình 3.15: Sơ đồ bố trí của bộ thu loại 2-A

79

Hình 3.16: Kích thước bố trí ống

79

Hình 3.17: Kết quả thí nghiệm ngày 19/8/2007 của bộ thu loại 2-A

80

Hình 3.18: Đường đặc tính hiệu suất của bộ thu Loại 2-A

81

Hình 3.19: Cấu tạo bộ thu ống nhiệt tấm phẳng loại 2-B

82

Hình 3.20: Kết quả thí nghiệm ngày 25/8/2007 của bộ thu loại 2-B

83

Hình 3.21: Đường đặc tính hiệu suất của bộ thu Loại 2-B

84



95

Hình 4.5: Giao diện kết quả tình toán năng suất lạnh và hệ số COP

96

Hình 4.6: Giao diện kết quả tính diện tích của hệ thống

96

Hình 4.7: Giao diện chính, các thông số đầu vào

98

Hình 4.8: Các thông số nhiệt động tại các điểm đặc trưng của MLHT

98

Hình 4.9: Các kết quả tính toán các phụ tải nhiệt

99

Hình 4.10: Năng suất lạnh của máy lạnh hấp thụ

99

Hình 4.11: Cường độ bức xạ mặt trời đo được của ngày 14/04/2005

100

Bảng 1.1: Các kết quả nghiên cứu về hệ thống ĐHKK bằng NLMT

9

Bảng 1.2: Tỷ số F / Q của các dự án điều hoà không khí bằng NLMT

12

Bảng 1.3: Đặc tính hoạt động của một số loại ống nhiệt

30

Bảng 2.1: Thông số chuẩn của bộ thu NLMT kiều ống nhiệt

52

Bảng 2.2: Thông số làm việc của bộ thu NLMT kiểu ống nhiệt

52

Bảng 2.3: Các thông số cần tính toán

53

Bảng 3.1: Nhiệt độ ở chế độ khởi động khi tỷ số nạp bằng 20%

60

Bảng 3.2: Nhiệt độ ở chế độ khởi động khi tỷ số nạp bằng 30%


Bảng 3.10: Kết quả thí nghiệm ngày 17-20/4/2007 của bộ thu loại 1-C

78

Bảng 3.11: Kết quả thí nghiệm ngày 19/8/2007 của bộ thu loại 2-A

80

Bảng 3.12: Kết quả thí nghiệm ngày 19-23/8/2007 của bộ thu loại 2-A

81

Bảng 3.13: Kết quả thí nghiệm ngày 25/8/2007 của bộ thu loại 2-B

83

Bảng 3.14: Kết quả thí nghiệm ngày 25-29/8/2007 của bộ thu loại 2-B

84

Bảng 3.15: So sánh hiệu suất của các loại bộ thu

86

Bảng 4.1: Các thông số đầu vào của chương trình (i)

93

Bảng 4.2: Các thông số đầu ra của chương trình (i)


điều hoà không khí. Một nghiên cứu thống kê mới đây của Hiệp hội công
nghệ lạnh và điều hoà không khí của Nhật Bản cho biết, nhu cầu về điều hoà
không khí trên toàn thế giới có xu hướng gia tăng, mức gia tăng toàn cầu là
khoảng 17% [63].
Nhu cầu về điều hoà không khí gia tăng lớn nhất ở các nước có nhiệt độ
trung bình cao. Các nước có khí hậu nhiệt đới như Việt Nam nhu cầu về điều
hoà không khí rất lớn và ngày càng gia tăng. Với nhu cầu sử dụng năng lượng
ngày càng gia tăng, đòi hỏi phải có những giải pháp sử dụng năng lượng trong
tương lai là một trong những thách thức cho các nhà khoa học. Một mặt phải
giải quyết vấn đề tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả, mặt khác phải
đảm bảo việc sử dụng hệ thống điều hoà không khí thân thiện với môi trường.
Chu trình máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời là một giải pháp
cho vấn đề trên, tránh được việc sử dụng môi chất lạnh CFCs là chất tham gia
vào việc phá huỷ tầng ozone. Ngoài ra nó có thể hoạt động bằng năng lượng
mặt trời hoặc những nguồn năng lượng tái tạo khác làm giảm nhu cầu sử dụng
điện năng. Chính vì lý do đó mà máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt
trời ngày càng lôi cuốn sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới.
Việt Nam trải dài từ vĩ độ 8030 Bắc đến 23024 Bắc, nằm trong khu vực có
cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 4,2 -7,3
GJ/m2.năm, số giờ nắng trong một năm nhiều, đặc biệt là ở các tỉnh phía nam
[7],[12],[17].


2
Vì vậy việc sử dụng năng lượng mặt trời cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ để
điều hoà không khí và để đáp ứng nhu cầu nước nóng sinh hoạt là một giải
pháp rất hợp lý và khả thi.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu chế tạo bộ thu năng lượng mặt trời (NLMT) kiểu ống nhiệt có
hiệu suất đủ cao, nhiệt độ làm việc đáp ứng yêu cầu vận hành của máy lạnh

lượng mặt trời kiểu ống nhiệt.
5. Bố cục luận án
Luận án được trình bày trong 126 trang bao gồm phần mở đầu, kết luận kiến nghị, tài liệu tham khảo và 5 chương chi tiết. Chương 1: Tổng quan;
Chương 2: Tính toán bộ thu NLMT kiểu ống nhiệt; Chương 3: Nghiên cứu
thực nghiệm bộ thu kiểu ống nhiệt; Chương 4: Nghiên cứu mô phỏng hệ
thống điều hoà không khí bằng năng lượng mặt trời; Chương 5: Nghiên cứu
thực nghiệm hệ thống cấp nhiệt phối hợp cho máy lạnh hấp thụ.
Điều hoà không khí bằng năng lượng mặt trời là đề tài rất phức tạp. Mặc dù
những gì đạt được trong luận án này là những kết quả nghiên cứu bước đầu,
nhưng có thể thấy rằng điều kiện thời tiết của các tỉnh phía nam Việt Nam rất
thuận lợi để cấp nhiệt cho hệ thống điều hoà không khí.


4

Chương 1
Tổng quan
1.1 Tổng quan về điều hoà không khí bằng NLMT
Điều hoà không khí bng nng lng mt tri l ti rt hp dn cho các
nhà nghiên cứu v lnh vc h thng nhit mt tri. Nguyên nhân là do có s
ng bin gia nhu cu s dng lnh v cng bc x mt tri [9],[36].
Tuy nhiên, do cha gii quyt tt các mâu thun gia giá thnh v hiu qu
mang li, cho nên vic s dng nng lng mt tri iu ho không khí
vn cha c ng dng nhiu trong thc t.
Mc dù vy, trong những năm gần đây các nh khoa học đã không ngừng
nghiên cứu ng dng nng lng mt tri iu ho không khí, chng t
tính cấp thiết v kh thi nht l i vi các nước có điều kiện thiên nhiên
thuận lợi như Việt Nam.
Ngoi ra, do các yêu cầu về tiết kiệm năng lượng v bo v môi trng,
vic s dng nng lng mt tri trong k thut iu ho không khí hin ang

Chu trình máy lạnh Ejector có thể sử dụng được những nguồn nhiệt có
nhiệt độ thấp, giá thành vận hành và lắp đặt thấp. Nhược điểm của chu trình
này là hệ số hiệu quả COP (Coefficient of Performance) thấp, thiết kế rất
phức tạp, đòi hỏi phải có độ chính xác cao và khó khăn khi vận hành ở dải
nhiệt độ môi trường rộng.
Chu trình Rankine chỉ phù hợp với những hệ thống có công suất lớn, thích
hợp với những hệ thống đồng phát nhiệt điện và điều hoà không khí. Nhược
điểm của chu trình này là giá thành cao, thường xuyên phải bảo dưỡng phức
tạp do có nhiều thiết bị chuyển động.
Chu trình máy lạnh hấp thụ có ưu điểm là chỉ có một chi tiết chuyển động
đó là bơm, có thể sử dụng nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp, sử dụng môi chất lạnh
thân thiện với môi trường. Trên thị trường hiện nay, máy lạnh hấp thụ dùng
cho mục đích điều hoà không khí có 02 loại chính đó là: (i) máy lạnh hấp thụ
H2O-LiBr loại tác dụng đơn (Single Effect); (ii) máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr
loại tác dụng kép (Double Effect). Máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr loại tác dụng
đơn có thể sử dụng các nguồn nhiệt có nhiệt thế thấp, còn máy lạnh hấp thụ
H2O-LiBr loại tác dụng kép thì phải sử dụng những nguồn nhiệt có nhiệt thế
trung bình và cao.


6

Phng án s dng nng lng mt tri iu ho không khí ang c
ng dng trên thế gii hiện nay phần lớn l s dng chu trình máy lnh hp
th H2O-LiBr loi tác dng n (Single Effect Absorption chiller) [9]. Máy
lnh hp th H2O-LiBr loi tác dng n lm vic với ngun nhit có nhit
t 750C n 1100C [9], [37], do đó vic chn loi bộ thu năng lượng mặt trời
no cp nc nóng cho máy lnh hp th vi nhit yêu cầu t 750C
tr lờn v có hiu sut đủ cao l vn mà các nhà nghiên cứu ang quan tâm.
Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr cấp nhiệt bằng

A

E

Hình 1.2: Sơ đồ Máy lạnh hấp thụ dùng năng lượng mặt trời [43]
Nguyên lý làm việc của MLHT H2O-LiBr tác dụng đơn dựa vào đặc tính của
dung dịch H2O-LiBr, khi ở nhiệt độ thấp dung dịch H2O-LiBr hấp thụ hơi nước
rất mạnh, khi ở nhiệt độ cao lại giải phóng hơi nước đã hấp thụ.
Dung dịch loãng trong bình hấp thụ D được bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt
HE vào bình sinh hơi A (Generator). Tại bình sinh hơi A, nước nóng có nhiệt
độ khoảng 750C đến 950C được cung cấp từ bộ thu năng lượng mặt trời sẽ gia
nhiệt cho dung dịch. Hơi nước bay ra từ bình sinh hơi có trạng thái quá nhiệt,
được đưa hơi nước này vào bình ngưng tụ B, để được nước làm mát giải nhiệt


7

đến trạng thái lỏng bảo hoà ở đầu ra của bình ngưng tụ. Nước - với tư cách môi
chất lạnh - đi qua van tiết lưu để đi vào vào bình bay hơi C. Tại đây nước ở
trạng thái hơi bão hòa ẩm hấp thụ nhiệt của nước cần làm lạnh trở thành trạng
thái bão hòa khô và đi đến bình hấp thụ D. Dung dịch đậm đặc từ bình sinh hơi
A đi đến bình hấp thụ D hấp thụ hơi nước tạo thành dung dịch loãng hơn, trong
quá trình hấp thụ có sản sinh ra nhiệt nên cần phải làm mát cho bình hấp thụ.
Để đánh giá hiệu quả của hệ thống điều hoà không khí bằng năng lượng mặt
trời Fléchon, Lazzarin và cộng sự [64] đã đề nghị sử dụng tỷ số nhiệt của hệ
thống STR (System Thermal Ratio) là tỷ số giữa công suất lạnh và công suất
nhiệt bức xạ mặt trời cấp vào hệ thống.
STR

Qg

Q

100% 1 aux

Qload


100%


(1.2)

Hệ số FNP càng lớn thì hệ thống càng hiệu quả về mặt kỹ thuật. Tuy nhiên,
lưu ý khi tổng hợp hiệu quả kinh tế-kỹ thuật thì cần thận trọng khi lựa chọn hệ
số này.


8

1.1.1 Các công trình nghiên cứu liên quan ở nước ngoài
Máy lạnh hấp thụ chạy bằng năng lượng mặt trời sử dụng dung dịch H2OLiBr đã được lắp đặt ở Brisbane vào năm 1955 và ở Queensland vào năm
1966. Hàng trăm hệ thống đã được lắp đặt ở Mỹ vào năm 1976. Yazaki ở Nhật
Bản và Arkela ở Mỹ đã chế tạo những mẫu thương mại của hệ thống làm lạnh
bằng năng lượng mặt trời [25]. Tuy nhiên để có những hệ thống thương mại
với những dải công suất mong muốn và với giá thành có thể chấp nhận được
thì vẫn là một thách thức.
Cho đến nay có rất nhiều nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu nâng
cao hiệu quả của máy lạnh hấp thụ, thời gian gần đây nổi bật nhất là các nhà
khoa học ở các nước Đức, Pháp, Mỹ, Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản.
mặc dù những nước này có năng lượng bức xạ mặt trời trung bình hàng năm