Nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm máy lạnh thu hồi nhiệt để cung cấp đồng thời nhiệt - lạnh

ng bình 
logarit Δt = 60K và hệ số truyền nhiệt k0 = 350W/m2.K. 
Kết quả tính toán được F0 = 0,037m2; với Q0 là năng suất 
lạnh của máy nén. 
2.3.2. Chế tạo mô hình 
Để thu hồi nhiệt thải, hệ thống thực nghiệm bao gồm 
các thiết bị như sau: Máy nén kín công suất tiêu thụ điện 
khoảng 110W/h; bình ngưng tụ có dung tích 10 lít đảm 
bảo giải nhiệt tốt; bình bay hơi có dung tích 8 lít đảm bảo 
cung cấp đủ cho phụ tải lạnh; thiết bị tiết lưu; hai bơm 
nước tuần hoàn công suất 30W; tháp giải nhiệt; hệ thống 
đường ống nước; thiết bị đo nhiệt độ nước, cường độ 
dòng điện và áp suất ngưng tụ của môi chất; thùng nước 
nóng 15lít được bọc cách nhiệt và các thiết bị phụ khác. 
Tất cả các thông số của thiết bị đã được tính chọn phù 
hợp với dữ kiện ban đầu, làm việc an toàn và ổn định. 
Hệ thống được trang bị một van by-pass được lắp đặt 
để mô hình có thể hoạt động hai chế độ có thu hồi và 
không thu hồi nhiệt thải. Khi nước trong bình ngưng tụ 
nhận nhiệt của môi chất lạnh sau khi nóng lên đến nhiệt 
độ yêu cầu sẽ được đưa sang bình chứa nhờ van điện từ 
mở ra để sử dụng. 
2.4. Kết quả thực nghiệm và bàn luận 
Khi xây dựng thiết bị thực nghiệm, chúng tôi dựa trên 
các nguyên tắc là thực nghiệm phải lặp đi lặp lại nhiều lần 
đo đạc và ở nhiều thời điểm khác nhau trong ngày. Trên cơ 
sở số liệu đo được, tiến hành phân tích và xử lý kết quả. 
Hình 4. Các thiết bị đo chuyên dụng 
2.4.1. Sự thay đổi nhiệt độ trung bình của nước nóng 
trong bình trao đổi nhiệt theo thời gian 
Lúc đầu nhiệt độ của nước tăng nhanh do nước trong 
bình có nhiệt độ thấp (250C) nên phần lớn lượng nhiệt 
thải từ môi chất lạnh (hơi quá nhiệt từ điểm 2 đến 2’ thể 
hiện trên đồ thị T-s) được nước hấp thụ và có thể xem đây 
là máy lạnh giải nhiệt bằng nước [3]. Khi nhiệt độ nước 
tăng, nhiệt độ và áp suất ngưng tụ của môi chất tăng theo, 
đến khi nhiệt độ nước tăng gần bằng nhiệt độ ngưng tụ 
của môi chất lạnh thì lượng nhiệt mà nước trong bình 
nhận được bắt đầu giảm. 
Khi nhiệt độ nước trong bình ngưng tụ càng tăng thì 
áp suất ngưng tụ môi chất càng tăng. Tuy nhiên, khi nhiệt 
độ nước nóng lớn hơn 400C (gần bằng nhiệt độ ngưng tụ 
của môi chất) thì rơ le nhiệt độ tác động mở van điện từ 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 1.2, 2019 73 
để đưa nước sang bình chứa cung cấp cho các phụ tải 
nhiệt nhằm đảm bảo cho hệ thống máy lạnh hoạt động an 
toàn, phần còn lại được đưa sang bình ngưng để giải 
nhiệt. Các giá trị này được đo liên tục trong suốt quá trình 
thực nghiệm và thể hiện ở Hình 5. 
Hình 5. Sự thay đổi nhiệt độ trung bình của nước theo 
 thời gian gia nhiệt 
2.4.2. Sự thay đổi áp suất ngưng tụ của môi chất theo 
nhiệt độ nước nóng 
Hình 6. Sự thay đổi áp suất ngưng tụ theo 
nhiệt độ của nước nóng 
Khi nhiệt độ nước trong bình trao đổi nhiệt càng tăng thì 
áp suất ngưng tụ môi chất càng tăng. Tuy nhiên khi nhiệt độ 
nước lớn hơn 400C thì áp suất không tăng nữa và giữ ổn định 
ở giá trị gần bằng với giá trị áp suất của hệ thống khi chạy 
bình thường (không thu hồi nhiệt thải). Điều này được lý giải 
là do bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt thải mắc nối tiếp với bình 
ngưng tụ giải nhiệt bằng nước. Do đó, khi nhiệt độ nước 
nóng trong bình tăng cao hơn nhiệt độ ngưng tụ tương ứng 
với áp suất ngưng tụ thì môi chất lạnh bắt đầu ngưng tụ trong 
bình ngưng của máy lạnh và lúc này hệ thống hệ hoạt động ở 
áp suất ngưng tụ ổn định tương ứng với giá trị của máy lạnh 
giải nhiệt bằng nước. 
Trên thực tế phụ tải nhiệt trong phòng và nhiệt độ môi 
trường bên ngoài luôn thay đổi nên áp suất ngưng tụ của 
môi chất lạnh cũng thay đổi theo. Nên khi các thông số 
này thay đổi kéo theo áp suất ngưng tụ cũng tăng giảm 
theo và được thể hiện trên Hình 6. 
2.4.3. Sự thay đổi cường độ dòng điện theo thời gian vận hành 
Đối với trường hợp không thu hồi nhiệt thải thì cường 
độ dòng điện tương đối ổn định trong suốt thời gian máy 
lạnh hoạt động. 
Đối với trường hợp có thu hồi nhiệt thải, khi hệ thống 
mới bắt đầu hoạt động, cường độ dòng điện có giá trị theo 
định mức (vì nhiệt độ của nước trong bình lúc này còn 
thấp). Khi nhiệt độ nước tăng dần thì cường độ dòng điện 
tăng, nhưng không vượt quá giá trị hoạt động của máy 
lạnh khi không thu hồi nhiệt thải. Vì vậy, điều này có thể 
khẳng định rằng khi máy lạnh có thu hồi nhiệt thải, có thể 
tiết kiệm được một phần năng lượng khi nhiệt độ nước 
trong bình dự trữ có giá trị nhỏ hơn 400C. 
Hình 7. Sự thay đổi cường độ dòng điện theo 
thời gian trong hai trường hợp 
Qua kết quả đo đạc các thông số từ thực nghiệm, nhận 
thấy trong trường hợp có thu hồi nhiệt thải thì cường độ 
dòng điện không ổn định so với chế độ hoạt động bình 
thường. Điều này được giải thích là trong trường hợp có 
thu hồi nhiệt thải do mắc nối tiếp thêm bộ trao đổi nhiệt 
nên trở lực đường ống tăng (môi chất lạnh trước tiên trao 
đổi nhiệt với nước trong thiết bị trao đổi nhiệt, sau đó tiếp 
tục đi qua bình ngưng tụ của hệ thống). Vì thế nhiệt độ 
sau máy nén cũng tăng cao hơn so với trường hợp không 
có thu hồi nhiệt. Tuy nhiên, do dòng hơi cao áp sau khi ra 
khỏi máy nén thải nhiệt cho nước trong bộ trao đổi nhiệt, 
vì vậy nhiệt độ của máy nén vẫn không vượt quá mức cho 
phép. Kết quả thay đổi cường độ dòng điện trong hai 
trường hợp được thể hiện trên Hình 7. 
2.4.4. Đánh giá hiệu quả của mô hình máy lạnh 
Trong quá trình thực nghiệm cho thấy lượng điện năng 
tiêu thụ cho hệ thống máy lạnh để làm lạnh nước và có 
thu hồi một phần nhiệt thải để cung cấp nước nóng vẫn 
không thay đổi đáng kể so với trường hợp không thu hồi. 
Trên cơ sở Hình 7, nhận thấy trong hai trường hợp có thu 
hồi và không thu hồi thì cường độ dòng điện khi hệ thống 
hoạt động chênh lệch không đáng kể. Vì thế, với các số 
liệu trên nếu để có lượng nước nóng sử dụng (với 10 lít 
nước từ nhiệt độ 250C đến 400C) thay vì chúng ta cần sử 
dụng điện trở để gia nhiệt sẽ tiêu tốn lượng điện năng đo 
được từ thực tế là khoảng 250W. Điều này đã cho thấy, 
khi sử dụng máy lạnh có thu hồi một phần nhiệt thải để 
cung cấp nước nóng đã mang lại hiệu quả kinh tế rất cao, 
trong một giờ trung bình có thể tiết kiệm được khoảng 
125W điện năng. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này chúng 
tôi chỉ tập trung đề cập đến khả năng thu hồi bao nhiêu 
phần trăm nhiệt từ thực nghiệm trên mô hình so với tính 
toán lý thuyết ở góc độ điện năng tiêu thụ. Đánh giá các 
74 Nguyễn Công Vinh, Hồ Trần Anh Ngọc 
yếu tố tác động đến quá trình thu hồi nhiệt mà chưa xét 
đến kinh phí đầu tư ban đầu như công lắp đặt, giá thành 
thiết bị, cấu tạo và việc vận hành phức tạp của hệ thống 
máy lạnh khi có lắp thêm thiết bị trao đổi nhiệt. Vấn đề 
này, chúng tôi sẽ tính toán chi tiết khi hệ thống có điều 
kiện triển khai rộng rãi trong thực tế. 
3. Kết luận 
Qua quá trình thực nghiệm trên mô hình máy lạnh, 
nhận thấy, khi nhiệt độ nước nóng trong bình nhỏ hơn 400C 
thì lượng nhiệt thải thực tế thu hồi nhiệt (η) được khoảng 
(30 ÷ 50)% so với nghiên cứu lý thuyết [2]. Khi nhiệt độ 
nước nóng trong bình tăng lên đến 450C thì quá trình thu 
hồi nhiệt thải càng giảm và lượng nhiệt thu hồi sẽ giảm dần 
khi nhiệt độ nước trong bình càng tăng. Điều này có nghĩa 
là hệ thống máy lạnh chỉ hoạt động hiệu quả khi nhiệt độ 
nước nóng cần sử dụng có giá trị nhỏ hơn 400C. 
Ngoài ra, khi nhiệt độ nước nóng tăng đến giới hạn cho 
phép (vẫn nhỏ hơn nhiệt độ ngưng tụ của môi chất) thì 
lượng nhiệt thu hồi giảm, quá trình hoạt động của máy lạnh 
vẫn không ảnh hưởng gì đáng kể do trong mô hình thực 
nghiệm đã được thiết kế rơle nhiệt độ khống chế đảm bảo 
cho môi chất lạnh ngưng tụ hoàn toàn trong bình ngưng tụ. 
Việc ứng dụng máy lạnh để sản xuất nước lạnh phục 
vụ cho nhu cầu điều hòa không khí kết hợp với cung cấp 
nước nóng ngày càng được sử dụng rộng rãi và mang lại 
hiệu quả rất lớn cho xã hội, đặc biệt trong việc giảm thiểu 
tiêu thụ năng lượng điện và góp phần bảo vệ môi trường. 
Nhận thấy điều này, chúng tôi bước đầu trình bày nghiên 
cứu chế tạo và thử nghiệm mô hình máy lạnh sản suất 
nước lạnh - nước nóng công suất nhỏ dùng trong các cơ 
sở dân dụng để làm thực nghiệm. Mặc dù, mô hình chế 
tạo chưa được hoàn thiện so với tính toán ban đầu nhưng 
với kết quả này vẫn cho thấy đây là một hướng nghiên 
cứu có tiềm năng trong tương lai, khi mà yêu cầu về tiết 
kiệm năng lượng trong các thiết bị gia nhiệt nói chung, 
thiết bị sản xuất nước nóng nói riêng ngày càng cần thiết. 
Kết hợp giữa quá trình thiết lập cơ sở lý thuyết và xây 
dựng mô hình thực tế của máy lạnh. Vì vậy có thể ứng 
dụng máy lạnh cung cấp nhiệt - lạnh đồng thời cho các 
phụ tải nhằm tiết kiệm năng lượng. Trong quá trình 
nghiên cứu, nhóm tác giả đã trực tiếp đưa ra hiệu quả 
năng lượng sau quá trình tính toán mô phỏng dựa vào các 
điều kiện đầu vào của môi chất làm lạnh, công suất của 
máy nén, diện tích bình ngưng tụ và bay hơi cũng như các 
thông số tính toán khác. Sau khi so sánh, đối chiếu giữa 
nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Kết quả cho thấy 
khả năng thu hồi nhiệt của hệ thống máy lạnh thực tế đạt 
được gần 38%. Từ đây, nguồn năng lượng này trao đổi 
cho việc cung cấp nước nóng thay vì phải dùng điện trở 
hoặc nguồn năng lượng khác. 
Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ phát 
triển tiềm năng Khoa học và Công nghệ của Trường Đại 
học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng trong đề tài có 
mã số T2018-06-99. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] J.P. Holman, Heat Transfer, Tenth Edition, McGraw-Hill 
International Edition năm 2009. 
[2] Lê Nguyên Minh, Giáo trình nhiệt động kỹ thuật, Nhà xuất bản 
giáo dục năm 2009. 
[3] Bùi Ngọc Hùng, Thu hồi nhiệt thải từ máy điều hòa không khí 
trung tâm đun nước nóng để tiết kiệm năng lượng, Tạp chí Cơ khí 
Việt Nam, số 1 + 2, trang 165 - 172, năm 2015. 
[4] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Bài tập Kỹ thuật lạnh, Nhà xuất 
bản Giáo dục năm 1998. 
(BBT nhận bài: 19/9/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 31/10/2018)