NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI
ẢNH HƯỞNG CỦA BỨC XẠ MẶT TRỜI ĐẾN HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG LÀM LẠNH HÁP PHỤ
EFFECT OF SOLAR
RADIATIONON
PERFORMANCEOF ADSORPTION
COOLINGSYSTEMS
ThẩmBội Châu1, TrầnThế Nam2
'Viện Cơkhí,TrườngĐại học Hàng hải ViệtNam
2PhòngKhoa học Công nghệ, Trường Đạihọc Hàng hải Việt Nam
TÓM TẮT
Trongbàibáo này, một mô hình tham sốtập trungđượcsử dụng để khảo sát đặc tínhvà hiệu suấtnhiệt của hệthống làm mát bằnghấpphụ sửdụng năng lượng mặt trời. Kết quảmôphỏng chỉ ra rằng, hệ thống này có thể cungcấp một công suất làm mát đơn vị cực đại 212 w/kg và hiệu suấtđạt khoảng0,31. Ảnhhưởng do sự thay đổi nhiệt độ của nguồn nhiệt theo thời gian chiếuxạ của mặttrời đếnhiệuquả làm mát của hệthống củng được khảo cứu.
Từ khóa: Điều hòa không khí; Làm lạnh hấp phụ; Năng lượng mặttrời.
ABSTRACT
In this article, a lumped parameters model was used to study the thermal performance ofa solar-poweredadsorptioncoolingsystem. The simulationresults shows that this system canprovide the highest specific cooling power of 212 w/kg and the coefficient of performance is 0.31. In addition, the influenceof the variation oftemperature ofthe heat source due to the solar irradiation on thecooling efficiency ofthe system was also investigated.
Keywords: Air conditioning;Adsorptioncooling;Solar energy.
1. GIỚITHIỆU CHUNG
Hình 1: Sơ đồbốtrí hệ thống làm mát hấpphụ sử dụng năng lượng mặt trời
ISSN 2615 - 9910
TẠPCHÍCơKHÍ VIỆT NAM, số 5 năm 2022 28
Công nghệlàmlạnh hấp phụ khí - rắn (solid adsorption)được xem là một sựthay thế an toàn cho chu trình máy lạnh nén hơi hiện nay. Công nghệ làm lạnh hấp phụ không chỉ loạibỏ việc sử dụng khígây hiệu ứng nhàkính mà cònsử dụng các nguôn năng lượngtái tạo như nhiệt thải nhiệt độ thấp hoặc nhiệt mặt trời [1]. Ưu thếvà sự phát triển của chu trình hấp phụ được nghiên cứu rộng rãi bởi Meunier [2], Saha vàKashiwagi [3]. Nhiều cặp chất hấpphụ đã được sử dụng hệ thống làm lạnh/bơm nhiệt hấp phụ. Tuy nhiên, rất ít cặp có thể làm việc được với các nguổn nhiệt thải thấp, khi nhiệt độdưới 100°C.
Trong [4, 5] trình bày kết quả nghiên cứu vểchu trình hấp phụ sử dụng cặp vật liệu silica gel/nước với nhiệt độ nguồn nhiệt 80°C và nguổn làm mát 30°C.
Bài báonày trình bày việc thiết lập mô hìnhthamsố, mô phỏngvàkhảosát sự thay đổi các đặctính nhiệt độngcũng như hiệu suất của hệ thống làm lạnh hấp phụ làm việc với năng lượng mặttrời.
2. PHÂN TÍCH NHIỆT ĐỘNG Lực HỌC HỆ THỐNG
Sơ đồ nguyên lý củamột hệ thống làm lạnh hấp phụ sử dụng nănglượng mặt trờiđược trình bày như trênHình 1. Hệ thốngbao gốm các thành phẩn cơ bản như tháp tản nhiệt, bộ hấp phụnăng lượng mặt trời,bấu hấp phụ (Al, A2),bầu ngưng, dànbay hơi và hệ thống đường ống dẫn. Nguyên lý hoạtđộng của hệ thống này đượctrình bày chi tiết trong [4],
2.1. Môhình toán
Phương trình cân bằng năng lượng cho bộ thunăng lượng mặttrờiđược xácđịnh theo
công thức (1),(2) và (3):
J r 1
—: VM..c „ = n A. z (1) + me(A -r... . i
Trong đó, T| sc là hiệu quả hăp thụ bủc xạ mặttrời phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh T , cường độ bức xạ mặt trời I và nhiệt độ trungbìnhcủa nước nóngtuần hoàn trong ống Tkw được xác định theocông thức:
Với Thw là nhiệt độ trungbình của nước nóng xác định theocông thức.
Taw -0,5(r/WiSC>M+r
AwiCjOW)
Cườngđộ bức xạ mặt trời thayđổitheo thời gian I(t) tính từlúcmặt trời mọc (t ) đến khimặt trời lặn (tss) theocông thức:
ỉ ((} =I movsin
V 7 c,max
(t -t )
\ ss sr / y
(3)
Trong đó, Icmaxlà cường độ bức xạ mặt trời lớn nhất trong ngày.
Phươngtrình cân bằng năng lượng cho bầu hấpphụđược xác định theo công thức (4) và (5):
-7- w,r +FC + WaC , = lí plí Sỉ r,v I if ã j
O JV. Ệ- + MC'
• dí s r (4)
+rh C,
f ĩ
Ệ-ự -T )
1. \ bed ỉ
ISSN 2615 -9910
TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆTNAM, số 5 năm 2022 29
NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI
(5)
Tốc độ hấp phụ và giải hấp phụ môi chất trong bẩu hấp phụ được xác định theo công thức (11) và(12):
Trong đó, ô = 0 hoặc ô = 1 khi bầu hấp phụ làm việc trong quá trình giải hấp thụ và hấpthụ.
Phương trình cân bằng nhiệt của bầu ngưng được xác định theo phương trình(6) và (7):
dt Rỉ
p
(11)
Trong đó,
A- -Aữ -A,T AT- -AT'
Bt = Bn +BT -BT: -Bp
1 V 1 2 jT
Áp suất bão hòa Ps tính theo công thức Antonie, các hệsố A. và B. đượctrình bày trong [6].
2.2. Hiệusuất của hệ thống Phương trìnhcân bằngnăng lượng của
dàn bay hơi được xác định theo phươngtrình (8) và (9):
•T..(' ì/ ' =
svaỵr r 7i J GVỉi )
(8)
Công suất làm mát đơn vị (SCP, w/
kg) và hệ sốlàmlạnh (COP) là các thông số cơ bản, thường dùng để đánh giá hiệu suất của hệ thốnglàm máthấp phụ, lần lượt được xác định theo công thức (13) và(14).
Cânbằng khối lượng môi chấtlàm lạnh tronghệ thống được xác định theo thức (10):
SCP = -------. .--- -— (13)
rpA . </> H7 ).-7r
J ỵ chỉ ù r chẳỉl Ị I chdỊữỉứ Ị
f (th .Cp„. ) (T. m - T. , \dt
0
dỉĩ í í/ữ dq
‘'W,r _ _ỊJT “a,
I
p.dt
J
dĩ dĩ (10)ISSN 2615-9910
TẠP CHÍ CơKHÍ VIỆT NAM,SỐ 5 năm 2022 30
Bảng 1. Thôngsố thiết kế của hệ thống:
Tham số Têngọi Giá trị Tham số Tên gọi Giá trị Asc Diện tíchbộ thu năng
lượngmặttrời
20 m2 w„, con Khốilượngbầu ngưng 24.28 kg Ị
Ubed Hệsố traođổi nhiệt của bộ thu năng lượng
mặt trời
2014W/m2K m
w Lưu lượng nước nóng/làmmát
1.3 kg/s
Abed Diệntích bầu hấp phụ 2.46 m2 w„„
sg Khối lượng silicagel trong bầu hấp phụ
47 kg
bed Hệ sốtraođồinhiệt bầu hấp phụ
1724.1W/m2K w„._ w,eva Khối lượngnước ban đầu trong dàn bayhơi
50kg
w„„cu Khối lượng ống của thiếtbịtrao đổi nhiệt
51.2 kg mchill Lưu lượng nước lạnh 0.7 kg/s
wtlAI Khốilượng phin của thiếtbịtrao đổi nhiệt
64.04 kg \ Nhiệt ẩn hóa hơi của nước
2.6* 106 J/kg
eva Diện tích dàn bayhơi 1.91m2 Hst Nhiệt hấp phụ 2.81*106 J/kg U evan Hệ sốtrao đổi nhiệt
dàn bay hơi
2557.54W/m2K Rwg Hằng sỗ khí 4.62*102J/kgK
eva Khối lượng dànbay hơi (ống đồng)
12.45 kg D
SO Hệ số khuếch tán 2.54*104 m2/s Acon„ Diệntích bầu ngưng 3.73 W/m2K R
p Bán kính hạt Silica gel 0.35*10-’m Bảng2. Điều kiện làm việc của hệ thống:
Tham số Tên gọi Giá trị
Tcw Nhiệt độ nướclàm mát 30°C
Thl„ ch,in Nhiệt độnước lạnh 15°c
Imax Cườngđộ bức xạlớnnhất 724w/m2
Tmax Nhiệt độ môi trường lớn nhất 37.5°c
t cycle Chukì làm việc 840 s
ISSN 2615 -9910
TẠP CHÍ CơKHÍ VIỆT NAM, số 5 năm2022
NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI
Hệ thống các phương trình trên được giảitheophương pháp sốvới sự hỗ trợ của phần mềm MATLAB. Khi bắt đẩu quá trình giải, các giá trị ban đầu được giả định và các phương trình năng lượng được giải theo trình tự giải hấp phụ, ngưng tụ, thiết bị bay hơivà hấp phụ.
Cácthông số thiếtkê' và vận hànhcủa hệ thống làm mát hấp phụ, sử dụng trong nghiên cứu này, được cho trong Bảng 1 và Bảng 2. Tham số thời tiết tại Việt Nam được tham khảo trên Solcast API Tookit [9]. Sự thayđổi của cường độ bứcxạ mặt trời vànhiệtđộmôi trường theo thời gian chiếu sáng, từ 6:00 AMđến 18:00 PM, được trình bày trên Hình 2. Cường độ bức xạ lớn nhất là 724W/m2. Nhiệt độlớn nhất trong ngàylà 37.5°c.
TìttiỄĩ (hì
Hình 2. Nhiệtđộ môi trường và cường độ bức xạ theo thờigian
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Hình 3a, trình bày profile nhiệt độ đầu ra của nước nóng, nước làm mát vànướclạnh.
Sự thay đổi của các thông số động lực họccùa bẩu hấp phụ, bầu ngưng và dàn bay hơi theo nhiệt độ môi trường và thời gian chiếu sang được cho trên Hình 3b. Nhiệt độ trung bình của nước lạnh cung cấp cho làm mát có thể đạt khoảng 13°c.
Hình4. COP và SCP của hệ thốngtheo thờigian
ISSN 2615-9910
TẠP CHÍ cơ KHÍ VIỆTNAM, số 5 năm 2022 cokhivietnam.vn/tapchicokhi.com.vn 32
Hình 4, trình bàykết quả mô phỏng cho các thông số đánh giá hiệu suất hệ thống SCP vàCOP. Từđồ thị, có thể thấyrằng,hệ thống có thếlàmviệc hiêu quả khi nhiệt độ nguốn nhiệt đạt trên 60°C tu 10: 00AM). Công suất làm lạnhriêngSCk ing lên đến 212W/kg khi nước nóng đạt giá tri lớn nhất. Hệ số làmlạnhđạt giá trị lớn nhất COP = 0.31. Các chỉ số này giảm nhanh sau 17: 00PM, khi chuẩn bị kết thúc thời gian chiếu sangtrong ngày.
5. KẾT LUẬN
Bài báo trìnhbày việc thiết lậpmột mô hình tham số sử dụngtrongphân tích, thiết kê' và mô phỏng hệ thống làm lạnh hấp phụ làm việc vớinguồn năng lượngmặt trời.
Từ kết quả mô phỏng, hệ thống làm lạnh hấp phụ bằng năng lượngmặt trời có thê’
làmviệchiệuquảtrong khoảng thời gian từ 10:
00AM đến 17: 00PM. Nhiệt độ nướclạnhtrung bình đạt khoảng 13°c. Hiệu quả chuyển đổi năng lượng COP lớn nhất của hệ thống đạt 0,31 với năng suấtlàmlạnh riêng cóthể đạt 212 w/
kg.Do đó, có thể sửdụng các hệ thống nàycho mụcđích điều hoàvàlàm lạnh vàoban ngày để giảm thiểu điện năng tiêu thụ, tránhquá tải cho hệ thốngcung cấp điện.
Kết quả bài báo nàycó thể sử dụng để tham khảo khi thiết kế, chế tạo các hệ thống làm lạnh hấp phụsử dụng nănglượng mặt trời.
Lờicảm ơn:
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Hàng hải ViệtNam trong để tài mã số:
DT21-22.34. Các tác giả xinchân thànhcảmơn Nhà trường. ❖
Ngày nhậnbài: 18/4/2022 Ngày phản biện: 28/4/2022 Tàiliệu tham khảo:
[1]. Wang, R. and R. Oliveira, Adsorption refrigeration—An efficient way to make good useof waste heat and solar energy^. Progress in Energy and Combustion Science, 2006.
32(4): p. 424-458.
[2], Meunier, E, Solid sorption heatpowered cycles for cooling and heat pumping applications.
Applied Thermal Engineering, 1998. 18(9-10):
p. 715-729.
[3] . Saha, B.B., E.c. Boelman, and T. Kashiwagi, Computational analysis of an advanced adsorption-refrigeration cycle. Energy, 1995.
20(10):p. 983-994.
[4] . Châu,T.B.,Nghiên cứu khả năng sử dụng năng lượng tái tạo cho hệ thống làm lạnh kiểu hấp phụ tạiViệt Nam. Tạpchí Khoa học Công nghệ
Hàng hài, 2021. 68.
[5] . Quang, D.x. and T.B. Châu, Môphỏnghệ thống làm lạnh hấp phụsử dụng năng lượngtái tạo.
TNU Journalof Science and Technology,2021.
226(07): p. 3-10.
[6], Saha, B.B., E.c. Boelman, and T. Kashiwagi, Computer simulation of a silica gel-water adsorption refrigeration cycle - the influence ofoperating conditions on cooling output and COP. 1995, Ashrae Transactions: San Diego, CA, USA.
[7]. Solcast API Toolkit, [cited 2022 April 21];
Available from: https://toolkit.solcast.com.au/
live-forecast.
ISSN 2615-9910
TẠPCHÍ Cơ KHÍ VIỆTNAM, SỐ 5 năm 2022 33
