Nghiên cứu sử dụng năng lượng thác nước và dòng chảy để làm lạnh

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 23 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG THÁC NƯỚC VÀ DÒNG CHẢY ĐỂ LÀM LẠNH A STUDY ON USING WATERFALL AND WATERCURRENT ENERGY FOR REFRIGERATION Võ Chí Chính Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Trong bài báo này, chúng tôi trình bày các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm sử dụng năng lượng thác nước và dòng chảy để làm lạnh, ứng dụng kết quả nghiên cứu để sản xuất đá phục vụ đời sống. Đây là một hướng mới trong việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo để làm lạnh đạt hiệu quả cao, hoàn toàn có thể triển khai rộng rãi trên thực tế, lần đầu tiên được đề xuất sử dụng tại Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu đặt tiền đề cho việc xây dựng các trạm lạnh tại các vùng đồi núi xa xôi, hẻo lánh phục vụ đồng bào dân tộc, du lịch mà không sử dụng đến điện năng. ABSTRACT In this article, we present theoretical and experimental results in using waterfall and water current energy for refrigeration, and the application of these studied results to ice-making for people’s use. This is new method on using regeneration energy for refrigeration with high efficiency. It may be applied in practice, for it is the first time in Vietnam that waterfall and water current energy has been used for refrigeration. The results from this study are the foundations for installing refrigeration stations in remote areas to serve ethnic minorities and tourists without resorting to the use of electricity. 1. Đặt vấn đề Năng lượng thác nước và dòng chảy là dạng năng lượng có sẵn trong tự nhiên, là nguồn năng lượng tái tạo. Do đặc điểm nước ta có địa hình khá dốc nên nguồn năng lượng thác nước và dòng chảy rất lớn có thể sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau. Đại bộ phận các nguồn công suất lớn đã và đang được khai thác sử dụng làm thủy điện, còn lại rất nhiều các nguồn có công suất vừa và nhỏ chưa được khai thác. Các nguồn này nếu khai thác làm thủy điện sẽ không kinh tế và hiệu quả, nhưng nếu đem sử dụng vào các mục đích khác có thể mang lại hiệu quả tốt. Năng lượng nước có nhiều ưu điểm như có thể trực tiếp biến đổi thành cơ năng, ổn định, công suất lớn, tập trung, lại thường có ở những nơi chưa có điện lưới nên sử dụng nó để chạy máy lạnh rất có ý nghĩa. Dưới đây chúng tôi trình bày một số kết quả nghiên cứu và thử nghiệm sử dụng sức nước để chạy máy lạnh. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 24 2. Các cơ sở lý thuyết 2.1. Công suất của thác nước và dòng chảy 2.1.1. Công suất của thác nước Công suất của một thác nước được xác định như sau: h.g.Gh.g.MHQ TNTN =τ=τ= , W (1) Trong đó: QTN – Công suất thác nước, W; H - Thế năng của thác nước, kJ ; τ- Thời gian mà lượng nước M chuyển động hết thác nước, giây; GTN - Lưu lượng thác nước, kg/s; g- Gia tốc trọng trường, kg/s2 ; h- Chiều cao thác nước, m. 2.1.2. Công suất dòng chảy Công suất của dòng chảy được xác định theo công thức sau đây : 2 .GQ 2 DC DC ω= , W (2) GDC - Lưu lượng dòng chảy, kg/s ; ω- Tốc độ dòng chảy, m/s. 2.2. Thời gian làm lạnh o ddnn o Q )t.Crt.C.[M Q Q ++==τ (3) M – Lượng nước được sử dụng để làm lạnh, kg ; tn, td - Nhiệt độ nước ban đầu và nhiệt độ đá thành phẩm, oC ; Cn, Cd – Nhiệt dung riêng của nước và của đá , J/kg.K ; r – Nhiệt ẩn đông đặc của nước, J/kg. Qo – Năng suất lạnh của máy lạnh, W. Thời gian làm lạnh ở trên có thể chia ra làm 3 giai đoạn: giai đoạn hạ nhiệt độ đến 0oC, giai đoạn đông đặc và giai đoạn hạ nhiệt độ đá. 2.3. Năng suất và hiệu quả làm lạnh 2.3.1. Năng suất lạnh của máy nén o h 2 ooo q.v4 n.Z.s.d.q.GQ πλ== (4) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 25 Go – Lưu lượng tuần hoàn của gas, kg/s; qo – Năng suất lạnh riêng của chu trình, J/kg; λ, vh – Hệ số cấp chu trình và thể tích riêng (m3/kg) của trạng thái hút của chu trình; d, s, Z, n – Đường kính (m) , hành trình (m), số xi lanh và tốc độ quay máy nén (vòng/giây). 2.3.2. Năng suất lạnh hữu ích làm lạnh nước đá τ −= )tt(C.MQ n ' nnHI o (5) tn- Nhiệt độ của nước tại thời gian τ. 2.3.3. Hiệu quả lạnh của máy lạnh TN oMN MN Q Q=ε (6) 2.3.4. Hiệu quả lạnh của hệ thống lạnh TN HI o HT Q Q=ε (7) 2.4. Xác định công suất đoạn nhiệt yêu cầu máy nén lạnh Công suất động cơ lắp đặt yêu cầu của máy nén lạnh otdci o dp tdci s dpdc q l. .. QK .. NKN ηηη=ηηη= (8) Trong đó : Qo, Ns – Năng suất lạnh và công suất đoạn nhiệt, W; l, qo – Công nén riêng và năng suất lạnh riêng, J/kg; ηi, ηc, ηtd, - Hiệu suất chỉ thị, hiệu suất cơ và hiệu suất truyền động. 3. Hệ thống thiết bị thí nghiệm và kết quả nghiên cứu 3.1. Hệ thống thiết bị thí nghiệm Hệ thống gồm một guồng nước đường kính 1200mm, rộng 300mm dùng dẫn động một máy nén lạnh công suất định mức 12.000 Btu/h (3517 W). Hệ thống lạnh được sử dụng để làm lạnh nước với khối lượng nước có thể thay đổi nhằm xác định năng suất lạnh hữu ích của máy và đánh giá khả năng làm lạnh của nó. Môi chất lạnh sử dụng là R12. Hệ thống truyền động bằng đai, có tỷ số truyền là 5. Các thiết bị phụ gồm dàn ngưng, bể nước và dàn lạnh, lọc ẩm và các thiết bị phụ khác. Toàn bộ hệ thống được lắp TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 26 đặt trên một khung đỡ chắc chắn (hình 1 và hình 2) 3.2. Kết quả tính toán và nghiên cứu thí nghiệm 3.2.1. Quan hệ giữa năng suất lạnh và các thông số của thác nước Trên cơ sở quan hệ giữa công suất yêu cầu trên trục của máy nén lạnh với năng suất lạnh, chúng tôi xây dựng được đường đặc tính lý thuyết quan hệ giữa năng suất của máy nén lạnh với các thông số của thác nước. Hình 2. Hệ thống thiết bị thí nghiệm 1- Máy nén lạnh kiểu hở, 2- Bể nước làm lạnh, 3- Dàn ngưng, 4- Bộ lọc ẩm, 5- Tiết lưu, 6- Guồng nước, 7- Ống dẫn nước, 8- Trục đỡ guồng nước, 9- Khung đỡ guồng nước, 10- Khung đỡ cụm máy lạnh 1235 41 0 40 0 20 0 500 45 0 34 0 300 81 0 200 1235 2 2 3 6 7 8 1 45 3 1 9 10 0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000 45.000 4 8 1 1 2 2 2 3 G, kg/s Qo.W h=10m h=15m h=20m h=25m h=30m h=35m h=40m Hình 3. Quan hệ Qo = f(GTN, h) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 27 Từ đồ thị hình 3 xác định được công suất máy lạnh có thể đạt được khi sử dụng các thác nước có độ cao và lưu lượng khác nhau. Trên cơ sở đó có thể xác định được năng suất đá sản xuất được trong một ngày. Đồ thị này cho phép chúng ta có thể xác định được những yêu cầu cần thiết của thác nước khi sử dụng vào một mục đích nào đó. 3.2.2. Sự thay đổi nhiệt độ của nước khi chạy bằng guồng Chúng tôi đã tiến hành chạy thử nghiệm hệ thống tại Lăng Cô. Nguồn nước sử dụng là nước mà bà con thường sử dụng để rửa xe ven đường, dưới chân đèo Hải Vân với lưu lượng nước đo được là 4 kg/s và độ cao từ nơi lấy nước xuống so với mặt đất là 25m, khối lượng nước cần làm lạnh trong bể là: 10, 20 và 30 kg. Nhiệt độ nước ban đầu là 32oC. Trên cơ sở chạy thử nhiều lần, chúng tôi có bảng số liệu thay đổi nhiệt độ nước theo thời gian thể hiện trên đồ thị hình 4. Kết quả chạy thử cho thấy: - Tốc độ làm lạnh khá nhanh, nhiệt độ nước giảm từ 32oC xuống 0oC lần lượt là 16, 32 và 40 phút. Như vậy, chưa đầy 1 tiếng đồng hồ nước trong bể đã đóng băng. Nếu sử dụng để làm đá với kích cỡ nhỏ thì trong vòng khoảng 1,5 giờ là đã có thể có đá sử dụng. 0 5 10 15 20 25 30 35 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 Nhiệt độ nước oC M=10 kg M=20 kg M=30 kg Thời gian, Phút, Hình 4. Sự thay đổi nhiệt độ nước 3.2.3. So sánh thời gian làm lạnh lý thuyết và thực nghiệm Thời gian làm lạnh lý thuyết là thời gian tính toán theo công thức (3), còn thời gian thực nghiệm lấy theo thực tế đo được. Để tiện so sánh và thử nghiệm, chúng tôi chỉ xác định thời gian làm lạnh được tính từ khi vận hành (nhiệt độ nước 32oC) cho đến khi nước đạt 0oC. Do khi vận hành, có một số tổn thất nhiệt ở bể nước, trên đường ống nên năng suất lạnh hữu ích chỉ chiêm một phần trong tổng năng suất lạnh do máy nén tạo ra. Kết quả trên hình 5 cho thấy, tổn thất nhiệt chiếm cỡ 10%. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 28 Hình 5. So sánh thời gian làm lạnh lý thuyết và thực tế 3.2.4. Năng suất lạnh hữu ích khi chạy bằng sắc nước Năng suất lạnh hữu ích được xác định trên cơ sở thay đổi nhiệt độ nước, là năng suất cần thiết để làm giảm nhiệt độ nước. Chúng tôi đã xác định được năng suất đó và biểu diễn trên đồ thị hình 6. Kết quả tính toán cho thấy, năng suất lạnh hữu ích đạt trung bình khoảng 1500 W, chiếm 43% mức, tốc độ quay của máy nén lạnh khi chạy bằng thác nước đạt 500 vòng phút, đạt 50% tốc độ quay chạy bằng mô tơ điện. Đây là một kết quả rất tốt. 1.300 1.350 1.400 1.450 1.500 1.550 1.600 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 Thời gian, Phút Qo, W M=10 kg M=20 kg M=30 kg Hình 6. Năng suất lạnh hữu ích 0 10 20 30 40 50 60 10 20 3 , Khối lượng nướcc M kg Thời gian , Phút Thực nghiệm Lý thuyết TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 29 3.2.5. Hiệu quả làm lạnh của máy và hệ thống lạnh Năng suất thác nước QTN = G.g.h = 4 x 9,81 x 25 = 981 W 3.2.6. Hiệu quả làm lạnh của máy lạnh 59.1 981 1555 Q Q TN oMN MN ===ε 3.2.7. Hiệu quả làm lạnh của hệ thống lạnh 5.1 981 1471 Q Q TN HI o MN ===ε 4. Kết luận Từ các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm có thể rút ra các kết luận như sau: 1- Với hệ thống guồng đơn giản, thác nước có lưu lượng và độ cao không lớn, nhưng chúng tôi đã sử dụng chạy máy lạnh hoạt động tốt, máy chạy đạt tốc độ khá cao n=500 vòng/phút, năng suất lạnh do máy tạo ra đạt khoảng 1500W. 2- Hệ thống thiết bị thí nghiệm đơn giản nhưng hoạt động đạt hiệu quả làm lạnh cao, thời gian làm lạnh nhanh, do sức nước trực tiếp biến đổi thành cơ năng làm chuyển động môi chất lạnh. Thời gian làm đá với khối lượng nước 30 kg chưa đầy 1 giờ 30 phút, 3- Hiệu quả biến đổi năng lượng, được đặc trưng bởi hệ số làm lạnh đạt được khá cao, khoảng 1,5. Điều này chứng tỏ hoàn toàn có thể triển khai ứng dụng trên thực thế, vì chỉ cần một thác nước không lớn cũng đủ sức chạy một hệ thống lạnh có công suất trung bình và lớn. 4- Hệ thống hoạt động ổn định trong cả ngày đêm và quanh năm. 5- Kết quả đặt tiền đề tốt cho việc triển khai sử dụng các thác nước ở các vùng đồi núi thiếu điện, các khu du lịch để làm lạnh sản xuất đá, bảo quản rau quả và điều hòa không khí. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS. Đinh Văn Thuận, Võ Chí Chính, Hệ thống máy và thiết bị lạnh Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật - Hà Nội, 2005. [2] Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú Truyền nhiệt, Nhà xuất bản Giáo dục - Hà Nội 1999.