Máy lạnh hấp thụ

Máy lạnh hấp thụ thuộc nhóm các máy lạnh sử dụng nhiệt năng, sẽ hấp thụ nhiệt từ các nguồn nhiệt như ánh sáng mặt trời, nhiệt năng thừa từ các nhà máy, chung cư… để làm nhiên liệu hoạt động. Cấu tạo của nó như thế nào, ưu điểm và nhược điểm ra sao thì hãy theo dõi phần chia sẻ dưới đây của chúng tôi nhé.

Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ

Máy lạnh hấp thụ H₂O-NH₃

Máy lạnh hấp thụ với cặp môi chất NH3 – H2O là một hệ thống làm lạnh hiệu quả, hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ nhiệt. Dưới đây là mô tả chi tiết về chu trình làm việc của máy lạnh hấp thụ này.

Nguyên lý hoạt động

1. Hơi bão hòa ẩm NH3 ra khỏi van tiết lưu ở áp suất thấp p1​ đi vào buồng lạnh I. Tại đây, NH3 nhận nhiệt q2​ từ vật cần làm lạnh và biến thành hơi bão hòa khô.
2. Hơi bão hòa khô NH3 sau khi ra khỏi buồng lạnh sẽ đi vào bình hấp thụ II, nơi nó được H2O hấp thụ, tạo thành dung dịch NH3 – H2O ở áp suất p1. Phản ứng hấp thụ này tỏa nhiệt qhqh​, do đó cần phải lấy nhiệt này đi để làm mát bình hấp thụ, tăng khả năng hấp thụ.
3. Dung dịch NH3 – H2O sau đó được bơm III đưa đến bình sinh hơi IV ở áp suất p2​ lớn hơn $p$.
4. Trong bình sinh hơi IV, cần cấp nhiệt qc​ (có thể từ hơi nước, than, năng lượng mặt trời…) để làm nóng dung dịch. Tại đây, do nhiệt độ sôi của NH3 thấp hơn nhiều so với H2O, NH3 sẽ bốc thành hơi bão hòa khô ở áp suất p2​ và đi vào bình ngưng VI.
5. Hơi NH3 vào bình ngưng VI và ngưng tụ ở p2=const, nhả nhiệt cho nước hoặc không khí làm mát, biến thành chất lỏng.
6. Chất lỏng NH3 ở áp suất p2​ và nhiệt độ sôi tương ứng ts2​, qua van tiết lưu VII sẽ biến thành hơi bão hòa ẩm ở áp suất p1​ và nhiệt độ sôi ts1​ nhỏ hơn, rồi quay trở lại buồng lạnh.

Sơ đồ hoàn chỉnh

• Buồng hóa hơi: Nơi NH3 nhận nhiệt từ vật cần làm lạnh.
• Bình hấp thụ: Nơi NH3 được H2O hấp thụ.
• Bơm dung dịch: Bơm dung dịch NH3 – H2O đến bình sinh hơi.
• Bình sinh hơi: Cung cấp nhiệt cho dung dịch để tạo ra hơi NH3.
• Bình ngưng: Nơi hơi NH3 ngưng tụ thành chất lỏng.

Thiết bị hồi nhiệt

• Thiết bị hồi nhiệt I: Làm quá lạnh môi chất lỏng trước khi tiết lưu để tăng năng suất lạnh.
• Thiết bị hồi nhiệt II: Thu hồi nhiệt của dung dịch loãng (dung dịch nghèo NH3) để làm nóng dung dịch đậm đặc (dung dịch giàu NH3).

Tinh luyện hơi môi chất

Trước khi đến thiết bị ngưng tụ, hơi môi chất NH3 ra khỏi bình phản hấp thụ được đi qua thiết bị tinh luyện để tách hơi nước ra khỏi NH3, đảm bảo rằng NH3 vào thiết bị ngưng tụ là nguyên chất.

Máy lạnh hấp thụ BrLi-H₂O

A: Chất hấp thụ, C: Bình ngưng, E: Thiết bị bay hơi, G: Máy phát điện, P: Bơm dung dịch, SHX: hồi nhiệt, ER: van tiết lưu, ES: van tiết lưu

Khi cung cấp nguồn nhiệt Q_g cho bình phản hấp thụ (bình sinh hơi) G để gia nhiệt cho dung dịch đậm đặc môi chất lạnh (H₂O) đến khoảng 80^oC. Hơi nước sinh ra bay lên dàn ngưng tụ C nhả nhiệt cho môi trường (nước) và ngưng tụ. Dung dịch đậm đặc khi mất nước trở thành dung dịch loãng và được đưa trở lại bình hấp thụ A và cần phải được giảm áp. Do vậy, trước khi vào bình hấp thụ, dung dịch loãng phải đi qua van tiết lưu ES.

Nước sau khi ngưng tụ ở dàn ngưng sẽ được đi qua van tiết lưu ER và phun vào dàn bay hơi E. Do áp suất ở đây rất thấp nước bay hơi và sinh lạnh. Hơi nước được tạo ra ở dàn bay hơi sẽ được dung dịch loãng hấp thụ ở bình hấp thụ. Lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình hấp thụ Q_a sẽ được nước làm mát lấy đi. Lạnh sinh ra ở dàn bay hơi Q_e sẽ được chất tải lạnh (cũng là nước) đưa đến nơi tiêu dùng.

Dung dịch đậm đặc sau quá trình hấp thụ sẽ được bơm P bơm lên bình phản hấp thụ. Dung dịch loãng chảy từ bình phản hấp thụ trở lại bình hấp thụ. Hồi nhiệt SHX dùng để nâng cao hiệu suất nhiệt. Tại đây dung dịch loãng được làm nguội đi và dung dịch đậm đặc được làm nóng lên.

Những thiết bị chuyển động ở đây chỉ có bơm dung dịch và bơm môi chất. Những bơm này có yêu cầu về độ kín và chân không cao. Ngoài ra, người ta cần phải bố trí bơm chân không đặc biệt để loại trừ khí trơ hoặc không khí ra khỏi hệ thống.

Máy lạnh hấp thụ khuếch tán

Nhưng ngày nay nói đến loại máy lạnh hấp thụ khuếch tán người ta thường nghĩ đến tủ lạnh hấp thụ gia đình, với công suất lạnh nhỏ.

1- Đèn ; 2 – Xi phông ; 3 – Bình sinh hơi; 4 – Ngưng tụ hồi lưu ; 5 – Dàn ngưng ; 6 – Bình chứa H2; 7 – Dàn bay hơi; 8 – Tủ cách nhiệt; 9 – Hồi nhiệt dòng hơi; 10 – Dàn hấp thụ ; 11 – Bình chứa dung dịch ; 12 – Hồi nhiệt dung dịch lỏng.

a – Bình sinh hơi và bơm xi phông đã cách nhiệt b – Bình chứa hydro ; c – Dàn ngưng (nằm sau miếng gỗ); d – Dàn bay hơi; e – Dàn hấp thụ ; f – Bình chứa.

Máy lạnh hấp thụ khuếch tán hoạt động dựa trên ba vòng tuần hoàn chính, bao gồm môi chất lạnh amoniac (NH3), dung dịch hấp thụ và khí hydro (H2). Dưới đây là mô tả chi tiết về từng vòng tuần hoàn và nguyên lý hoạt động của hệ thống.

Vòng tuần hoàn của môi chất lạnh NH3

• Quá trình: Môi chất lạnh NH3 từ bình sinh hơi đi vào dàn ngưng, nơi nó ngưng tụ và chảy vào dàn bay hơi (hay còn gọi là dàn khuếch tán).
• Khuếch tán: Hơi NH3 khuếch tán vào khí H2 từ áp suất riêng phần băng không lên đến áp suất tương ứng với nhiệt độ buồng lạnh. Hỗn hợp NH3 + H2 nặng hơn sẽ lắng dần về dàn hấp thụ.
• Hấp thụ: Sau khi được hấp thụ, dung dịch NH3 trở thành đậm đặc và được bơm xi phông trở lại bình sinh hơi.

Vòng tuần hoàn của dung dịch

• Quá trình: Dung dịch đậm đặc được bơm xi phông từ dàn hấp thụ vào bình sinh hơi.
• Sinh hơi: Tại bình sinh hơi, dung dịch này sinh ra hơi NH3, trở thành dung dịch loãng. Dung dịch loãng tự chảy về dàn hấp thụ do chênh lệch cột lỏng.

Vòng tuần hoàn của khí hydro

• Quá trình: Khí hydro trong dàn khuếch tán theo hơi NH3 lắng về dàn hấp thụ.
• Hấp thụ: Hơi NH3 được dung dịch hấp thụ dần, làm giảm nồng độ NH3 trong hỗn hợp. Khi hỗn hợp trở nên nhẹ hơn, nó chuyển động lên đỉnh dàn hấp thụ.
• Trở lại: Khi hết hơi NH3, hydro sẽ chuyển động trở lại dàn bay hơi. Bình chứa hydro giúp cân bằng áp suất khi nhiệt độ bên ngoài thay đổi.

Thiết bị hồi nhiệt

Máy lạnh hấp thụ khuếch tán còn có hai thiết bị hồi nhiệt:

1. Hồi nhiệt giữa NH3 và H2: Giúp tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt khi môi chất đi vào và ra khỏi dàn bay hơi.
2. Hồi nhiệt cho dung dịch: Giúp làm nóng dung dịch đậm đặc và làm nguội dung dịch loãng khi ra khỏi bình sinh hơi.

Bơm xi phông

Bơm xi phông hoạt động theo nguyên tắc thay đổi tỷ trọng. Khi dung dịch được đốt nóng, nó sinh ra những bọt hơi nhỏ, giúp kéo theo cả lỏng chảy vào bình sinh hơi.

Máy lạnh hấp thụ chu kỳ

Máy lạnh hấp thụ chu kỳ là loại máy lạnh đơn giản làm việc gián đoạn. Do nhược điểm là hệ số nhiệt nhỏ, khó tự động hoá, máy lạnh hấp thụ chu kỳ hầu như không được ứng dụng ngoài mục đích kết hợp với năng lượng mặt trời hoặc nhiệt thải công nghiệp.

a) Chu kỳ đốt nóng ; 1 – Sinh hơi; 2 – Ngưng tụ ; 3 – Nước làm mát; 5 – Đèn cồn.
b) Chu kỳ làm lạnh : 1 – Hấp thụ ; 2 – Bay hơi; 3 – Nước làm mát; 4 – Buồng lạnh.

Nguyên lý hoạt động

Máy lạnh hấp thụ chu kỳ, được phát triển bởi Carré vào giữa thế kỷ 19, sử dụng cặp môi chất amoniac (NH3) và nước (H2O). Hệ thống này hoạt động theo hai chu kỳ chính: chu kỳ đốt nóng và chu kỳ làm lạnh.

a) Chu kỳ đốt nóng

1. Sinh hơi: Bình sinh hơi được gia nhiệt bằng đèn cồn, làm cho dung dịch NH3 trong bình bốc hơi.
2. Ngưng tụ: Hơi NH3 sinh ra được chuyển đến bình ngưng, nơi nó ngưng tụ lại nhờ nước làm mát.
3. Nước làm mát: Nước được sử dụng để làm mát bình ngưng, giúp NH3 ngưng tụ thành chất lỏng.

b) Chu kỳ làm lạnh

1. Hấp thụ: Chất lỏng NH3 từ bình ngưng đi vào bình hấp thụ, nơi nó được dung dịch nước hấp thụ.
2. Bay hơi: Tại đây, NH3 bay hơi và thu nhiệt từ môi trường xung quanh hoặc chất tải lạnh, tạo ra hiệu ứng làm lạnh.
3. Nước làm mát: Nước tiếp tục được sử dụng để làm mát trong quá trình này.
4. Buồng lạnh: Không khí hoặc chất tải lạnh đi vào buồng lạnh để được làm mát.

Cấu trúc của máy lạnh hấp thụ chu kỳ

• Bình 1 (Bình sinh hơi): Chứa dung dịch đậm đặc, có nhiệm vụ sinh hơi và hấp thụ.
• Bình 2 (Bình ngưng): Chứa hơi NH3 và là nơi diễn ra quá trình ngưng tụ.
• Ống nối: Kết nối hai bình với nhau, cho phép chuyển đổi giữa các trạng thái lỏng và hơi.

Ưu điểm

• Sử dụng nguồn nhiệt thải: Máy lạnh hấp thụ chu kỳ có thể sử dụng năng lượng mặt trời hoặc nhiệt thải công nghiệp, giúp tiết kiệm chi phí năng lượng.
• Thiết kế đơn giản: Với ít bộ phận chuyển động, máy có độ tin cậy cao và ít hỏng hóc.

Nhược điểm

• Hệ số nhiệt thấp: Hiệu suất nhiệt không cao khiến cho máy lạnh hấp thụ chu kỳ ít được ứng dụng trong thực tế.
• Khó tự động hóa: Việc điều khiển máy tự động gặp khó khăn do tính chất gián đoạn của quá trình hoạt động.

Ưu điểm và nhược điểm của máy lạnh hấp thụ

Ưu điểm

Tiết kiệm năng lượng: Không cần sử dụng điện năng hoặc cơ năng; chỉ sử dụng nguồn nhiệt năng có nhiệt độ không cao (80-150°C) để hoạt động. Điều này giúp tiết kiệm chi phí năng lượng, đặc biệt trong các khu vực không có nguồn điện ổn định.

Khả năng đồng phát: Máy lạnh hấp thụ có thể cung cấp đồng thời điện năng, nhiệt năng và lạnh (nước lạnh), giúp giảm thiểu sự gia tăng cục bộ nhiệt độ không khí. Điều này rất hữu ích trong các đô thị đông đúc.

Cấu trúc đơn giản: Máy lạnh hấp thụ có thiết kế đơn giản với các thiết bị trao đổi nhiệt và chất, dễ dàng chế tạo. Bên cạnh đó, bộ phận chuyển động duy nhất là bơm dung dịch, giúp giảm thiểu sự cố.

Vận hành và bảo trì dễ dàng: Quy trình vận hành đơn giản và ít ồn, rung động. Việc sửa chữa và bảo trì cũng dễ dàng hơn so với các hệ thống máy lạnh khác.

Phù hợp với điều kiện địa phương: Rất phù hợp với Việt Nam, nơi có nhiều nguồn nhiệt thải và vật liệu như than, củi. Điều này giúp dễ dàng thiết kế, chế tạo và ứng dụng máy lạnh hấp thụ trong các điều kiện địa phương.

Nhược điểm

Kích thước cồng kềnh: Máy lạnh hấp thụ có diện tích lắp đặt lớn hơn so với các hệ thống máy lạnh nén hơi. Điều này có thể gây khó khăn trong việc bố trí và lắp đặt ở những không gian hạn chế.

Hiệu suất thấp hơn: Hệ số hiệu suất nhiệt (COP) của máy lạnh hấp thụ thường thấp hơn so với máy lạnh nén hơi, dẫn đến khả năng làm lạnh kém hơn trong cùng một điều kiện nhiệt độ.

Độ phức tạp trong thiết kế: Mặc dù cấu trúc đơn giản, nhưng việc thiết kế hệ thống làm mát hấp thụ đòi hỏi kiến thức chuyên môn cao và kinh nghiệm để đảm bảo hiệu suất hoạt động.

Chi phí đầu tư ban đầu: Mặc dù chi phí vận hành thấp hơn, nhưng chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống máy lạnh hấp thụ có thể cao hơn do yêu cầu thiết kế và vật liệu chất lượng.

Yêu cầu về nguồn nhiệt ổn định: Máy lạnh hấp thụ yêu cầu nguồn nhiệt ổn định và liên tục để hoạt động hiệu quả. Nếu nguồn nhiệt không ổn định, hiệu suất làm lạnh sẽ bị ảnh hưởng.

---

*Nguồn tham khảo: Máy và thiết bị lạnh – Trần Danh Giang