Nghiên cứu công nghệ giảm lực cản để tiết kiệm năng lượng trong hệ thống điều hòa không khí của tòa nhà

Bài viết Nghiên cứu công nghệ giảm lực cản để tiết kiệm năng lượng trong hệ thống điều hòa không khí của tòa nhà nghiên cứu hiện tượng giảm lực cản ứng dụng giảm năng lượng điện tiêu thụ của bơm trong hệ thống chức năng sưởi ấm của hệ thống HVAC để tiết kiệm năng lượng được thực hiện trong quy mô phòng thí nghiệm.

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GIẢM LỰC CẢN ĐỂ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ CỦA TỊA NHÀ Nguyễn Anh Tuấn1 Tóm tắt: Khả giảm lực hoạt chất bề mặt để tiết kiệm lượng bơm hệ thống tuần hoàn chất lỏng nghiên cứu thực nghiệm phịng thí nghiệm Cơng suất bơm giảm tới 10% với nồng độ dung dịch 400ppm x10 Việc cho thêm lượng chất hoạt động bề mặt surfactant gây giảm lực cản dòng chảy rối đường ống rõ rệt Như chất hoạt động bề mặt phù hợp với hệ thống lưu thông chất lỏng hệ thống sưởi ấm, hệ thống làm mát mà cơng suất bơm sử dụng lớn Từ khóa: Giảm lực cản, tiết kiệm lượng, chất hoạt động bề mặt GIỚI THIỆU CHUNG * Hiện tượng giảm lực cản nhận nhiều quan tâm nhà nghiên cứu không ứng dụng kỹ thuật tiềm mà cịn giúp để hiểu rõ đặc tính chất lỏng, giúp làm sáng tỏ ứng xử rối chất lỏng Newton Các lĩnh vực ứng dụng chuyên biệt cho tượng tìm thấy lĩnh vực vận chuyển dầu thơ đường ống (Burger), chữa cháy (Fabula 1971; Thorne), việc tăng tốc độ tàu thuyền tàu ngầm (Hoyt 1972), hệ thống cung cấp nước tưới tiêu (Sellin 1982), việc vận chuyển thủy lực dạng huyền phù hạt rắn (Golda, Interthal 1984), hệ thống tuần hoàn làm mát, sấy, sưởi ấm điều hịa khơng khí (Sellin 1982) Một lĩnh vực khả thi khác điều trị bệnh tuần hoàn máu (Greene, Hoyt 1971) Giảm phát thải CO2 để ngăn chặn nóng lên tồn cầu nhiệm vụ quốc gia Tuy nhiên, gánh nặng để đạt mục tiêu giảm phát thài CO2 Giảm phát thải CO2 cách phát triển nghiên cứu ứng dụng thực tế công nghệ tiết kiệm lượng có nhu cầu cấp thiết Tiết kiệm lượng cách Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi 38 thêm tác nhân để giảm cơng suất tiêu thụ q trình vận chuyển chất lỏng đích đến quan trọng Trong tác nhân đó, chất hoạt động bề mặt surfactant sử dụng dung môi khác nguyên liệu quan trọng sống hàng ngày Một ứng dụng tiết kiệm lượng cách thêm hoạt chất bề mặt để giảm cơng suất tuần hồn chất làm lạnh Đã có nhiều nỗ lực để thực hóa cho hệ thống điều hịa khơng khí Hệ thống sưởi, thơng gió điều hịa khơng khí, viết tắt HVAC (Heating, Ventilating, and Air Conditioning) tịa nhà gồm có hệ thống chức gồm: sưởi ấm, thơng gió điều hịa khơng khí có mối quan hệ với (Hình 1) Trong trường hợp nước nóng nước hệ thống sưởi ấm, người ta sử dụng đường ống để vận chuyển nhiệt đến phòng tòa nhà Hầu hết hệ thống sưởi ấm nồi nước đại có tuần hồn Đó máy bơm, dùng để vận chuyển nước nóng thơng qua hệ thống phân phối Nhiệt truyền đến khơng khí xung quanh cách sử dụng tản nhiệt, cuộn dây nước nóng (hydro-air), trao đổi nhiệt khác Bộ tản nhiệt gắn trần nhà, tường lắp đặt sàn để tạo nhiệt sàn Năng lượng máy bơm dùng để tuần hoàn KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) nước hệ thống điều hịa khơng khí tịa nhà thường tiêu tốn nhiều điện hàng năm Việc tiết kiệm điện để chạy bơm giảm đáng kể chi phí vận hành tịa nhà hàng năm Trong báo này, nghiên cứu tượng giảm lực cản ứng dụng giảm lượng điện tiêu thụ bơm hệ thống chức sưởi ấm hệ thống HVAC để tiết kiệm lượng thực quy mô phịng thí nghiệm Một mơ hình mạch thí nghiệm xây dựng để tính sơ hiệu suất lượng bơm tiết kiệm sử dụng công nghệ tác nhân chất hoạt tính bề mặt giảm lực cản surfactant dịng chảy rối Hình Hệ thống điều hịa khơng khí tịa nhà Hệ micellar (Shenoy 1984; Ohlendorf; Brunn) hệ dạng keo khác gọi "chất hoạt động bề mặt" Cần phải phân biệt chất hoạt động bề mặt thành loại ion, cation anion Trong số loại anion người ta tìm thấy, kim loại kiềm muối amoni bao gồm axit béo khác nhau, nghiên cứu hệ thống nước không chứa nước Chúng hình thành mixen mà sau bị phá hủy có khả tự phục hồi ứng suất trượt giảm Chất hoạt động bề mặt cho thấy mức độ ổn định lâu dài cao Các chất hoạt động bề mặt anion khơng đắt, chúng phải áp dụng hệ thống nước nên việc sử dụng chúng bị hạn chế Khi có canxi cation khác xảy tượng kết tủa Một khía cạnh thú vị chất hoạt động bề mặt anion dung môi nước dung môi hữu chúng thể ứng xử tương phản nhiệt độ khác Trong dung môi không chứa nước, chúng đặc biệt hiệu nhiệt độ thấp Trong chất hoạt động bề mặt cation, rõ ràng cetyltrimethyl-amoniumbromide (CTAB) dung dịch nước với dẫn xuất naphthaline tạo gel nhớt Hỗn hợp CTAB-naphthol hoạt động giống chất lỏng giảm lực cản đậm đặc khơng thể ứng xử chuyển tiếp chuyển từ giai đoạn chảy tầng sang giai đoạn chảy rối (hỗn loạn) Nếu thêm huyền phù vào hỗn hợp này, làm giảm hệ số ma sát Phép đo tán xạ neutron góc nhỏ (SANS), thực dung dịch pha loãng ntetradecyltrimethylammonium bromide (TTAB) với natri-salicylat dòng chảy ống kênh cho thấy mixen tồn ứng suất cắt tới hạn thành ống (Bewersdorf, 1986) Chất hoạt động bề mặt cation thể ưu điểm quan trọng so với chất hoạt động bề mặt anion chúng không kết tủa có mặt ion canxi Mặt khác, chúng đắt trạng thái nước, có chứng phân hủy hóa học sau vài ngày Mặc dù ổn định mặt học, chúng không ổn định mặt nhiệt hạn chế phạm vi ứng dụng chúng Các nghiên cứu chất hoạt động bề mặt không ion làm chất phụ gia giảm lực cản hiệu KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) 39 cơng bố (Zakin 1972) Ơng nghiên cứu hiệu ứng khác ba chất hoạt động bề mặt không ion Các chất hoạt động bề mặt có giới hạn nhiệt độ cao giới hạn nhiệt độ thấp khả hòa tan nước chứng minh chất làm giảm lực cản hiệu gần nhiệt độ hòa tan tới hạn điểm vẩn đục chúng Điểm vẩn đục điểm mà dung dịch tác nhân không ion nước trở nên đục nhiệt độ tăng lên Các chất hoạt động bề mặt khơng ion có lợi tất chất phụ gia giảm lực cản nghiên cứu Chúng ổn định mặt học hóa học, khơng kết tủa có canxi, sử dụng tất vùng nước không tinh khiết, nước biển, nước lợ dung dịch nước muối đậm đặc Chúng có tiềm tuyệt vời để giảm lực cản nhiệt độ cao MƠ TẢ HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM VÀ DUNG DỊCH THÍ NGHIỆM Dung dịch thí nghiệm chuẩn bị hoạt chất bề mặt Surfactant Surfactant (trimethylammonium bromide) có khối lượng riêng M s=160,1(gram) sản xuất công ty Glentham (Đức) Counter-ion (sodium salicylate) có khối lượng riêng Mc=364,46 (gram) sản phẩm công ty Deajung (Hàn Quốc) Trong nghiên cứu này, tổ hợp surfactant với nồng độ 200ppm 400ppm kết hợp với counter-ion có nồng độ gấp 10 lần theo phân tử Mol sử dụng Ký hiệu tổ hợp dung dịch thí nghiệm 200ppm x10 400ppm x10 Các tổ hợp dung dịch surfactant pha nước máy từ nguồn cung cấp thành phố lọc Sau pha chế xong, dung dịch thí nghiệm giữ thời gian 24 để đảm bảo cân lí hóa trước sử dụng Hệ thống thực nghiệm Hình Sơ đồ hệ thống thực nghiệm đo hệ số ma sát đường ống Hệ thống thí nghiệm bố trí sơ đồ hình Dung dịch thí nghiệm luân chuyển hệ thống bơm chìm Super Tecpon (Nhật bản) có cột áp 13m, lưu lượng 40 lít/phút, với nhiệt độ dung dịch trì 20±2°C Lưu lượng dịng chảy qua ống thí nghiệm đo cảm biến lưu lượng điện tử Keyence, model FD-MH500A (Nhật bản) Đường ống thí nghiệm 40 làm vật liệu nhựa acrylic có đường kính 40mm Hai cảm biến áp suất đặt đường ống thí nghiệm với khoảng cách điểm L = 1,2 m Độ chênh lệch áp suất hai vị trên đường ống thí nghiệm đo cảm biến áp suất Validyne, model DP15-26 (Mỹ) Các cảm biến kết nối với đồng hồ vạn (vơn kế) Tín hiệu thu đưa dạng giá trị KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) điện áp (V) quy đổi giá trị áp suất cách nhân với hệ số quy đổi dựa theo tài liệu kỹ thuật nhà sản xuất thiết bị cảm ứng đo áp suất KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thảo luận hệ số ma sát thành ống với dung dịch khác Hệ số ma sát thành ống xác định theo công thức  2.p.D v  L Trong đó: v – Vận tốc dịng chất lỏng đường ống (m/s) ρ – Khối lượng riêng dung dịch (lấy ~ 998 ) D – Đường kính ống (m) ∆p - Chênh lệch áp suất hai điểm đo đường ống (bar) L - Khoảng cách hai điểm đo đường ống (m) Hình Mối quan hệ hệ số ma sát thành đường ống số Reynolds dung dịch thí nghiệm (nước, dung dịch surfactant 200ppm x10 400ppm x10) Đồ thị hình cho thấy hệ số ma sát nước bám sát với đường lý thuyết Blasius Đối với 02 dung dịch surfactant 200ppm x 10 400ppm x10, hệ số ma sát thành ống hai dung dịch nhỏ hệ số ma sát thành nước số Reynolds ≥ 20000 Tuy nhiên số Reynolds = 100000 hệ số ma sát thành ống dung dịch 200ppm x10 trở với hệ số ma sát thành ống nước, hệ số ma sát thành ống dung dịch 400 ppm x10 thấp so với nước Với số Reynolds hệ số ma sát thấp nước chứng tỏ hoạt chất bề mặt dung dịch 200ppm x10 400ppm x10 có tác dụng làm giảm lực cản tăng tốc độ dòng chảy đường ống Nghiên cứu cho thấy sử dụng tổ hợp dung dịch surfactant counterion làm giảm hệ số ma sát thành ống  dòng chảy rối Hiện tượng giảm lực cản hứa hẹn giúp tiết kiệm lượng bơm thảo luận phần 3.2 Thảo luận tiết kiệm lượng bơm sử dụng tổ hợp hoạt chất giảm lực cản surfactant Hình Đồ thị biểu diễn mối quan hệ tần số bơm với lưu lượng bơm Hình cho thấy chạy bơm với tần số Hz, lưu lượng bơm khác hoạt động với nước dung dịch surfactant với nồng độ khác Cụ thể, đặt tần số bơm 36Hz, lưu lượng làm việc bơm làm với nước 190 lít/phút, với dung dịch surfactant 200ppm x10 200 lít/phút dung dịch surfactant 400ppm x10 210 lít/phút Rõ ràng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) 41 chạy bơm với tần số, cho chất hoạt động bề mặt surfactant vào nước lưu lượng chất lỏng tăng 5% với dung dịch 200ppm x10 10% với dung dịch surfactant 400ppm x10 Gia số tăng lưu lượng lớn chạy bơm tần số cao Để có tranh rõ hiệu giảm lượng bơm sử dụng phụ gia giảm lực cản surfactant, ước lượng công suất bơm hoạt động với nước dung dịch surfactant giảm lực cản Cơng suất bơm ước tính theo cơng thức sau: Trong đó: -Q lưu lượng bơm ( ) - H chiều cao cột áp (m) - g gia tốc trọng trường g =9,81( ) - khối lượng riêng chất lỏng(kg/ ) - Hiệu suất bơm lấy từ thơng số nhà sản xuất, khoảng 80% Hình Đồ thị biểu diễn mối quan hệ công suất bơm với lưu lượng Để biểu thị mức độ tiết kiệm lượng bơm sử dụng hoạt chất bề mặt surfactant giảm lực cản dòng chảy rối, xây dựng đồ thị mối quan hệ cơng suất bơm với lưu lượng dịng để so sánh nước dung dịch 42 giảm lực cản surfactant Đồ thị hình cho thấy với giá trị cơng suất bơm có khác lưu lượng dòng chất lỏng bơm hoạt động với công suất từ 50W Cụ thể, công suất bơm 100W, lưu lượng bơm với chất lỏng nước 170 lít/phút, cịn với chất lỏng dung dịch surfactant 200ppm x10 lưu lượng xấp xỉ 178 lít/phút, với chất lỏng dung dịch surfactant 400ppm x10 lưu lượng xấp xỉ 188 lít/phút Như công suất tiêu thụ bơm, sử dụng hoạt chất giảm lực cản surfactant làm tăng lưu lượng dòng chảy tăng từ đến 10% tùy theo nồng độ dung dịch giảm lực cản Gia số tăng lưu lượng lớn chạy bơm công suất lớn KẾT LUẬN Trong hệ thống bơm nào, vai trò bơm cung cấp đủ áp suất để vượt qua áp suất hoạt động hệ thống để chất lỏng di chuyển với tốc độ dòng chảy cần thiết Áp suất vận hành hệ thống hàm dòng chảy qua hệ thống bố trí hệ thống chiều dài ống, phụ kiện, kích thước ống, thay đổi độ cao chất lỏng, áp suất bề mặt chất lỏng, v.v Để đạt yêu cầu lưu lượng thông qua hệ thống bơm, cần tính tốn áp suất hoạt động hệ thống để chọn máy bơm phù hợp Việc thêm lượng chất hoạt động bề mặt surfactant tạo giảm lực cản dòng chảy rối đường ống rõ rệt Hiệu ứng giảm mật độ hỗn loạn sử dụng để tăng tốc độ dòng chảy giảm đường kính ống kích thước thiết bị khác nhằm giảm mức tiêu thụ lượng bơm Chính chất hoạt động bề mặt phù hợp với hệ thống lưu thông chất lỏng hệ thống sưởi ấm, hệ thống làm mát, cơng suất bơm sử dụng lớn Tuy nhiên việc nghiên cứu cần tiếp tục để hiểu đầy đủ chế tượng giảm lực cản Khi việc áp dụng vào hệ thống điều hịa khơng khí phức tạp tịa nhà tránh rủi ro tiềm ẩn tối ưu hóa q trình hoạt động hệ thống KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 107.03-2018.21 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bewersdorff, H.W & Ohlendorf, D., "The behaviour of drag-reducing cationic surfactant solutions", Colloid Polym Sci 266 (10), 941–953 (1988) Fabula, G.,"Fire-Fighting Benefits of Polymeric Friction Reduction", transactions of the ASME Journal of Basic Engineering, 93-453 (1971) Hoyt J W., “The Effect of Additives on Fluid Friction”, Trans.A.S.M.E J Basic Engg., 94, 258-285 (1972) Lu Lu, Wenjian Cai, Lihua Xie, Shujiang Li, Yeng Chai Soh, "HVAC system optimization in building section", Energy and Buildings 37 (2005) 11–22 Nguyen Anh Tuan, Hiroshi Mizunuma, “High-shear drag reduction of surfactant solutions”, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, Vol 198 (Aug 2013), 71–77 Shenoy, A V., “A Review of Drag Reduction with Special Reference to MicellarSystems”, Colloid and Polymer Science, 262, 319-337 (1984) Sellin, R H J., Hoyt J W and Scrivener, “The Effect of Drag-Reducing Additiveson Fluid Flows and Their Industrial Applications, Part I: Basic Aspects”, J Hydraulic Res., 20 29-68 (1982) Sellin, R H J., J W Hoyt, J Pollert and Scrivener, “The Effect of Drag Reducing Additives as Fluid Flows and their Industrial Applications Part 2: Present Applications and Future Proposals”, J Hydraulic Res., 20, 235-292 (1982) Zakin J.L., Chiang J.L., "Non-ionic Surfactants as Drag Reducing Additives",Nature Physical Science volume 239, pages 26–28 (1972) Abstract: STUDYING DRAG REDUCTION TECHNOLOGY FOR SAVING ENERGY USING IN AN AIR CONDITIONING SYSTEM OF A BUILDING The drag reduction ability of a surfactant solution for saving pump energy of a fluid recirculation system has been studied experimentally in the laboratory scale Pump capacity can be increased by up to over 10% for the surfactant solution 400ppm x10 The addition of a small amount of surfactant additive causes a significant drag reduction in turbulence in turbulent pipe flow Thus, surfactant additives are suitable for fluid circulation systems such as heating and cooling systems in which the pump capacity is large Keywords: Drag reduction, Saving Energy, Surfactant Ngày nhận bài: 10/02/2022 Ngày chấp nhận đăng: 03/3/2022 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) 43 ...nước hệ thống điều hịa khơng khí tòa nhà thường tiêu tốn nhiều điện hàng năm Việc tiết kiệm điện để chạy bơm giảm đáng kể chi phí vận hành tịa nhà hàng năm Trong báo này, nghiên cứu tượng giảm lực. .. bơm tiết kiệm sử dụng cơng nghệ tác nhân chất hoạt tính bề mặt giảm lực cản surfactant dòng chảy rối Hình Hệ thống điều hịa khơng khí tòa nhà Hệ micellar (Shenoy 1984; Ohlendorf; Brunn) hệ dạng... việc nghiên cứu cần tiếp tục để hiểu đầy đủ chế tượng giảm lực cản Khi việc áp dụng vào hệ thống điều hịa khơng khí phức tạp tòa nhà tránh rủi ro tiềm ẩn tối ưu hóa q trình hoạt động hệ thống