Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------------

Nguyễn Công Hoan

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LÀM LẠNH
BAY HƠI TRONG CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU HOÀ
KHÔNG KHÍ TẠI CÁC TỈNH PHÍA NAM.
CHUYÊN NGÀNH : CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
MÃ SỐ :

60.52.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 naêm 2004


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

PGS. TS. LÊ CHÍ HIỆP

Cán bộ chấm nhận xét 1

:


Mã số
: 60.52.04
I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LÀM LẠNH BAY HƠI TRONG CÁC
HỆ THỐNG ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ TẠI CÁC TỈNH PHÍA NAM
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tổng quan về tình hình sử dụng làm lạnh bay hơi có kết hợp với sử dụng chất
hút ẩm
2. Cơ sở lý thuyết của làm lạnh bay hơi trực tiếp
3. Mô hình toán và phương pháp giải, xây dựng phần mềm tính toán
4. Thí nghiệm làm lạnh bay hơi kết hợp chất hút ẩm CaCl2
5. Sơ đồ đề nghị và ứng dụng cho hệ thống điều hoà không khí cho các tỉnh phía
Nam.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VU
Ï: 09-02-2004
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU
Ï: 09-07-2004
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP
VI. HỌ VÀ CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1 :
VII. HỌ VÀ CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1 :
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP
Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
Ngày tháng năm 2004

Trang: 0-3


Tóm tắt luận văn Thạc só

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Kỹ thuật làm lạnh bay hơi và tách hơi ẩm trong không khí bằng phương pháp sử
dụng chất hút ẩm dạng lỏng đã được nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm
nhằm mục đích ứng dụng trong thông gió công nghiệp cũng như điều hòa không khí.
Một chương trình máy tính mô phỏng quá trình truyền nhiệt và khối lượng giữa
không khí và chất hút ẩm đã được xây dựng.
Những nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành với H2O và dung dịch chất hút
ẩm H2O/CaCl2 để xác định những điều kiện hoạt động của hệ thống.
Những số liệu thực nghiệm đã được ghi nhận và so sánh với các kết qủa của chương
trình mô phỏng.
Kết quả nhận được chứng tỏ rằng chương trình mô phỏng có thể được sử dụng cho
việc sơ bộ đánh giá cơ chế hoạt động của hệ thống hút ẩm sử dụng chất hút ẩm
dạng lỏng.
Sơ đồ đề nghị trong việc ứng dụng trong hệ thống điều hoà không khí tại các tỉnh
phía Nam.

ABSTRACT
Air dehumidification based on the use of liquid desiccant has been investigated both
theoretically and experimentally for industrial ventilation and air conditioning
applications.
A computer programme simulating the process of heat and mass transfer between
air and liquid desiccant has been developed and experimental studies on H2O and
desiccant H2O/CaCl2 were carried out.
Experimental data have been reported and compared to the results of the computer
simulations.


Mục lục

0-5

Chương 1 Giới thiệu công nghệ làm lạnh bay hơi kết hợp với sử dụng

1

chất hút ẩm
1.1

Quá trình phát triển

1

1.2

Một số ứng dụng của làm lạnh bay hơi

3

1.3

Phân tích lựa chọn mô hình hệ thống điều hoà không

16

khí sử dụng công nghệ làm lạnh bay hơi và tách ẩm
bằng chất hút ẩm thích hợp trong các điều kiện các tỉnh


Ẩm đồ

23

2.6

Các quá trình trên ẩm đồ

23

2.7

Quá trình bay hơi lý tưởng

34

2.8

Làm lạnh bay hơi thông thường

35

2.9

Lý thuyết về tách ẩm bằng chất hút ẩm

38

Chương 3 Thí nghiệm

66

Phân tích và lựa chọn sơ đồ thí nghiệm

3.2.2 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm

68

3.2.3 Phương pháp đo

68

3.2.4 Trình tự tiến hành

69

Chương 4 Kết quả thí nghiệm

71

4.1

Kết quả thí nghiệm làm lạnh bay hơi

71

4.2

Đánh giá kết quả


Phụ lục 1 Chương trình Matlab

99

Phụ lục 2 Sơ đồ thí nghiệm với dung dịch chất hút ẩm sử dụng kèm

118

colector, các hình ảnh mô tả thí nghiệm
Phụ lục 3 Các dạng bề mặt được sử dụng trong làm lạnh bay hơi

123

Phụ lục 4 Mô tả một kết quả đo đạc điển hình từ Data Logger

125

Phụ lục 5 Thiết bị làm lạnh bay hơi ExcelAir

126

Phụ lục 6 Các hình ảnh về ứng dụng của làm lạnh bay hơi

127

Phụ lục 7 Bảng dự toán chi tiết hạng mục điều hoà không khí truyền

128

thống.

thuận lợi cho quá trình.
Một bức tranh vẽ trên tường ở Herculaneum vào khoảng năm 70 sau công nguyên
có vẽ một bình chứa nước bằng da được dùng để làm lạnh nước uống.
Ở Ấn Độ, hiện tượng này thậm chí còn được khai thác để làm nước đá. Những ngôi
nhà ở và công trình xây dựng ở Iran cũng thường được làm lạnh bằng hiện tượng
bay hơi; các phòng có một phần nằm dưới mặt đất để tránh sức nóng mặt trời và có
các bể chứa nước chảy ngang qua với các tháp thông gió phía trên để hứng gió và
hướng nó đi qua bề mặt của dòng nước ở phía dưới. Các bể chứa nước uống cũng

Trang: 1


Chương 1: Giới thiệu về làm lạnh bay hơi có kết hợp với sử dụng chất hút ẩm

được làm lạnh bằng cách tương tự . Cả người Persian cổ và người Indian ở Châu Mỹ
đều trùm lều của họ bằng da được giữ ẩm để làm mát… Các hệ thống lạnh đầu tiên
trên thế giới chính là các hệ thống lạnh sử dụng nguyên lý làm lạnh bay hơi với cấu
tạo đơn giản bằng gỗ hay kim loại như trong hình 1-1 và hình 1-2.

Hình 1-1: Thiết bị làm lạnh bay hơi cổ điển bằng gỗ.
Vào khoảng năm 1930, các thiết bị làm lạnh bay hơi kiểu cơ khí đầu tiên đã được
sản xuất tại Mỹ và nhanh chóng được sản xuất hàng loạt.
Ngày nay, hệ thống lạnh đã được phát triển tương đối hoàn chỉnh với máy lạnh nén
hơi có dải công suất rất rộng từ nhỏ, vừa cho đến công suất lớn và rất lớn, sử dụng
máy nén một cấp hay nhiều cấp và được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lónh vực
khác nhau. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của hệ thống này là mức tiêu thụ năng
lượng rất lớn và các tác nhân lạnh sử dụng trong hệ thống ít nhiều đều có gây tác
hại đến môi trường. Chính vì vậy, hệ thống làm lạnh bay hơi vẫn còn được sử dụng
ở những nơi cần điều hoà không khí nhưng lại yêu cầu độ ẩm cao như các nhà máy
dệt, các nhà kính,v.v…. Ngoài ra hiện nay trên thế giới cũng có nhiều nghiên cứu

c.

Vòng tuần hoàn của nước qua bộ làm lạnh kiểu bay hơi: một mặt được
dùng để làm lạnh không khí luân chyển bằng phương pháp bay hơi, mặt
khác được dùng để làm lạnh chất tách ẩm đã được tái tạo.

Trong hoạt động của hệ thống, có ba dòng không khí:
a.

không khí luân chuyển đưa vào không gian điều hòa,

b.

không khí lạnh qua phía dàn nóng được thải ra ngoài,

c.

không khí tái tạo để lấy đi hơi nước được tách ra từ dung dịch tách ẩm
loãng. Không khí nóng ẩm được đưa vào bộ tách ẩm, mà chủ yếu gồm
có cụm giấy tổ ong, vòi phun và bơm.

Hình 1.3: Hệ thống máy lạnh hấp thụ có sử dụng thiết bị làm lạnh bay hơi.

Trang: 4


Chương 1: Giới thiệu về làm lạnh bay hơi có kết hợp với sử dụng chất hút ẩm

Dung dịch tách ẩm đặc được phun lên cụm tổ ong bằng vòi phun, hình thành nên
một màng dung dịch mỏng dọc theo vách tổ ong. Hơi ẩm của không khí luân chuyển


nóng dung dịch loãng đi vào bộ tái tạo. Trong bộ hấp thụ, dung dịch đậm đặc hấp
thụ hơi nước vừa ra khỏi dàn bay hơi.

Hình 1-4: Sơ đồ hệ thống điều hòa không khí sử dụng năng lượng mặt trời giải nhiệt
là một tháp làm lạnh bay hơi (cooling tower).
Nước lạnh từ tháp giải nhiệt lấy đi nhiệt sinh ra do phản ứng hoà trộn và do ngưng
tụ. Do nhiệt độ của bộ hấp thụ có ảnh hưởng nhiều hơn đến hiệu suất của hệ thống
so với nhiệt độ ngưng tụ nên chất giải nhiệt được cho qua bộ hấp thụ trước rồi mới
qua dàn ngưng. Một nguồn năng lượng phụ được sử dụng để hâm nước nóng cấp
vào bộ tái tạo khi năng lượng mặt trời không đủ để hâm nước đến nhiệt độ yêu cầu
của bộ tái tạo. Bồn chứa nước nóng được phân ra để sử dụng như hai bồn chứa riêng
biệt. Vào buổi sáng, collector được nối vào phần trên của bồn, trong khi vào buổi
chiều, toàn bộ bồn chứa được sử dụng để cung cấp năng lượng nhiệt cho chiller.
Trong hình 1.5 là một hệ tổ hợp được đề nghị bởi A.A Kinsara như sau: Hệ thống đề
nghị gồm có 3 vòng tuần hoàn.
Trang: 6


Chương 1: Giới thiệu về làm lạnh bay hơi có kết hợp với sử dụng chất hút ẩm

a.

Vòng tuần hoàn của không khí trong không gian điều hoà,

b.

Vòng tuần hoàn của dung dịch lỏng hút ẩm,

c.

trao đổi nhiệt dung dịch - dung dịch (HE3), một bơm dung dịch, một bộ giải nhiệt
Trang: 7


Chương 1: Giới thiệu về làm lạnh bay hơi có kết hợp với sử dụng chất hút ẩm

bằng nước, một cụm tái tạo chất lỏng hút ẩm dạng khay (liquid desiccant
regeneration packed bed: LDRPB) và một máy bơm nhiệt. Bơm nhiệt được dùng
như một nguồn nhiệt bên ngoài để gia nhiệt cho dung dịch lỏng hút ẩm hay cho
không khí cấp trước khi vào LDRPB hoặc cho cả hai. Dung dịch loãng (dung dịch
sau khi đã hút ẩm) ra khỏi ADPB ở trạng thái L2 (như hình 1-5) phải được tái tạo
(cô đặc lại) và trở lại trạng thái L1. Dung dịch loãng ở trạng thái 2 được gia nhiệt
trong HE3 và HE4 bằng nhiệt hồi tương ứng từ dung dịch đặc nóng và không khí ẩm
ra khỏi LDRPB. Dung dịch loãng tiếp tục được gia nhiệt trong HE2 bởi không khí
nóng từ nguồn bên ngoài (bơm nhiệt) để đạt được nhiệt độ dung dịch ở trạng thái
L5. Dung dịch đặc ra khỏi LDRPB ở trạng thái L6 được làm lạnh lại trong HE3 và
trong bộ giải nhiệt. Dàn bay hơi của bơm nhiệt cũng được sử dụng để làm lạnh dung
dịch đặc lần nữa trước khi vào ADPB.

Trang: 8


Chương 1: Giới thiệu về làm lạnh bay hơi có kết hợp với sử dụng chất hút ẩm
20
28
v3

v2

Máy nén

Bộ tái tạo
16

L2

3

30

27

L7

Dàn bay hơi

v1

Chất lỏng
hút ẩm

p1

L8

p4

Bộ giải nhiệt

HE 3
HE 1

11

26

B

17

21
25
19

LDRPB

20

13

Không khí
ngoài trời

9

Hình 1-5 : Sơ đồ đề nghị của A. A. Kinsara cho hệ thống làm lạnh kiểu nén hơi kết
hợp sử dụng chất hút ẩm.

Trang: 9


Đư

Hình 1-6 : Đồ thị của không khí được điều hoà
Trong vòng tuần hoàn của không khí tái tạo, nhiệt thải từ dàn ngưng của máy lạnh
nén hơi được dùng để gia nhiệt cho không khí bên ngoài tới trạng thái 2. Không khí
này được hoà trộn với không khí vừa ra khỏi HE2 ở trạng thái 18, hoặc với không
khí môi trường sau khi đã được gia nhiệt trong HE1, tuỳ thuộc vào dòng không khí
nào có nhiệt độ cao hơn. Không khí hoà trộn ở trạng thái 12 đi qua quạt (constantspeed air fan) và được gia nhiệt ở dàn ngưng của bơm nhiệt lên đến nhiệt độ yêu
cầu ở trạng thái 21. Một quạt cung cấp lượng không khí cần thiết cho HE2 để gia
nhiệt cho dung dịch lỏng hút ẩm từ TL4 lên TL5. Một phần không khí ở trạng thái 21
cũng có thể được dùng để gia nhiệt cho không khí trước khi vào LDRPB. Không khí
đã tăng ẩm ra khỏi LDRPB ở trạng thái 14 và vào HE4. Chu trình thông thường của
vòng tuần hoàn không khí tái tạo được thể hiện ở hình 5. Trong hệ thống đề nghị
(hình 1-5), có hai cụm dạng khay. Đó là cụm tách ẩm không khí dạng khay (ADPB)
và cụm tái tạo chất lỏng hút ẩm dạng khay (LDRPB). Cả hai đều có cùng cấu trúc,
chỉ khác nhau ở điều kiện vào và ra của cả khí và dung dịch lỏng tách ẩm.

Trang: 10


16

15

Độ chứa hơi

Đư
ờn
g

ba
õo

Chu trình bao gồm một hệ thống chất lỏng hút ẩm dùng chất lỏng hút ẩm là LiBr
cho cả hai quá trình hấp thụ và tách ẩm và chất giải nhiệt là nước. Dung dịch hút
ẩm lỏng ( trạng thái 1) từ bộ hấp thụ được bơm ( trạng thái 2) đến bộ tái tạo chất hút
ẩm sử dụng năng lượng mặt trời sau khi đi qua bộ trao đổi nhiệt HE1. Dung dịch hút
ẩm được gia nhiệt khi qua HE1 và trở thành dung dịch đặc ở trạng thái 4 khi ra khỏi
bộ tái tạo chất hút ẩm sử dụng năng lượng mặt trời. Dung dịch đặc này đi qua HE1
(trạng thái 5) và một phần đến bộ hấp thụ (trạng thái 6). Trong bộ hấp thụ,dung dịch
hút ẩm đặc hút hơi nước lạnh trong bình bay hơi (trạng thái 11) bằng cách hấp thụ
nhiệt từ không gian làm lạnh, làm giảm đến áp suất mà bình bay hơi yêu cầu. Nhiệt
hấp thu hơi nước được loại bỏ bởi tháp giải nhiệt. Trong bình bay hơi, nước từ nguồn
bên ngoài (trạng thái 10) được bay hơi ở áp suất thấp bởi nhiệt từ không gian làm

Trang: 11


Chương 1: Giới thiệu về làm lạnh bay hơi có kết hợp với sử dụng chất hút ẩm

lạnh. Dung dịch hút ẩm lỏng lại được bơm đến bộ tái tạo chất hút sử dụng năng
lượng mặt trời, đó là chu trình của máy hấp thụ.

BỘ TÁI TẠO BẰNG NĂNG
LƯNG MẶT TRỜI

10

3
5

6



HE 2

PHÒNG

THIẾT BỊ
HÚT ẨM
14
b
a

e
KHÔNG KHÍ RA
KHỎI PHÒNG

KHÔNG KHÍ
NGOÀI TRỜI

9

Hình 1-8 : Chu trình tổ hợp hấp thụ hơi và chất lỏng hút ẩm
Một phần dung dịch hút ẩm đặc (trạng thái 5) từ bộ tái tạo chất hút sử dụng năng
lượng mặt trời đi qua bộ trao đổi nhiệt HE2 (trạng thái 7) tới bộ tách ẩm. Sự tách ẩm
thực tế xảy ra vì áp suất hơi nước khác nhau trong không khí và dung dịch hút ẩm.
Khi dung dịch hút ẩm được tái tạo cô đặc, áp suất hơi của nó nhỏ hơn áp suất áp
suất hơi của không khí vì vậy hơi nước trong không khí được dung dịch hút ẩm hấp
thụ và trở thành dung dịch hút ẩm loãng. Dung dịch này (trạng thái 9) từ bộ tách ẩm
cùng với dung dịch loãng từ máy hấp thụ (trạng thái 1) được bơm trở lại để tái tạo.
Sau khi tái tạo dung dịch đặc được cung cấp đến bộ hấp thụ và bộ tách ẩm theo tỉ lệ
Trang: 12

gỗ đặt cách nhau 20-60mm. Trong các tháp nhỏ và trung bình thì sử dụng các loại
bề mặt xối tưới có hình dạng khe hở và tổ ong với các rãnh nhỏ đứng thẳng có
đường kính tương đương 2-5mm. Tổ ong có thể làm bằng nhựa, bằng giấy tẩm keo
êpôxi hoặc bằng nhôm lá có bề dày 0,2mm. Thỉnh thoảng cũng có sử dụng các
thanh gỗ để làm bề mặt xối tưới (trở lực khí động khá lớn). Bề mặt xối tưới có kích
thước nhỏ gọn nhất là các tấm lưới ni-lông có lỗ 2x2x0,1mm xếp chồng lên nhau.
Loại này có nhược điểm là trở lực khí động rất lớn.

Trang: 14


Chương 1: Giới thiệu về làm lạnh bay hơi có kết hợp với sử dụng chất hút ẩm

Hình 1-10 : Bề mặt xối tưới loại tổ ong và khe hở
a. a)

loại tổ ong hình gợn sóng

b. b)

loại tổ ong hình thoi dài

c. c)

loại tổ ong hình thoi ngắn

d. d)

loại khe hở bằng các tấm nhựa đặt cách nhau


giấy epôxi có hình:
Gợn sóng
Hình thoi dài
Hình thoi ngắn

640

5,35

0,91

0,2-0,385

3,0-3,5

580

5,9

0,83

0,2-0,3

3,0-3,8

250

13,2

0,93


40mm

44,5

80

0,89

-

-

Trang: 15


Chương 1: Giới thiệu về làm lạnh bay hơi có kết hợp với sử dụng chất hút ẩm

Lớp đệm là các tấm 2000
lưới nilong có lỗ
2x2mm

1.3.

1,7

0,85

-



qua boä trao đổi nhiệt của hệ thống tái tạo để hồi một phần nhiệt từ chất hút ẩm đã
được cô đặc sau đó đi qua collector mặt trời để được gia nhiệt và tách ẩm một phần,
sau đó sẽ được phun vào bộ tái tạo để được tách ẩm lần nữa.
Nhiệt cấp vào

Không khí
tái tạo

Hệ thống tái tạo

Bộ làm lạnh
kiểu bay hơi

Máy nén
Dàn ngưng

Bộ
trao
đổi
nhiệt

Van tiết lưu

Dàn bay hơi
Bộ tách ẩm

Bộ làm lạnh
kiểu bay hơi


Sự chuyển đổi nhiệt và hơi diễn ra cho tới khi nào nhiệt độ và áp suất hơi được cân
bằng.

Trang: 18