Thiết kế và chế tạo hệ thống bơm nhiệt thu hồi nhiệt thải đầu đẩy máy nén hệ thống điều hòa không khí water chiller

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG BƠM NHIỆT THU HỒI NHIỆT THẢI ĐẦU ĐẨY MÁY NÉN HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ WATER CHILLER MÃ SỐ: SV2021-214 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: BÙI CHÍ CƯỜNG SKC 0 7 Tp Hồ Chí Minh, tháng 6/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN Thiết kế chế tạo hệ thống bơm nhiệt thu hồi nhiệt thải đầu đẩy máy nén hệ thống điều hịa khơng khí Water Chiller Mã số: SV 2021-214 Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa đào tạo chất lượng cao SV thực hiện: Bùi Chí Cường Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: Chất lượng cao tiếng việt Ngành học: Công nghệ kỹ thuật Nhiệt Nam Năm thứ: /Số năm đào tạo: Người hướng dẫn: TS.Nguyễn Xuân Viên TP Hồ Chí Minh, 06/2021 MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 11 1.1 Tính cấp thiết đề tài 11 1.2 Tổng quan nghiên cứu liên quan 12 1.2.1 Nghiên cứu nước 12 1.2.2 Nghiên cứu nước 29 1.3 Lý chọn đề tài 33 1.4 Mục tiêu đề tài 34 1.5 Phương pháp đối tượng nghiên cứu 34 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 35 2.1 Lý thuyết trao đổi nhiệt 35 2.2 Lý thuyết tính tốn 35 2.2.1 Xác định công suất bơm nhiệt 35 2.2.2 Phương trình cân nhiệt bơm nhiệt 36 2.2.3 Tính tốn chu trình chọn máy 36 2.2.4 Tính tốn hệ số tỏa nhiệt nước 37 2.2.5 Tính tốn hệ số toả nhiệt R22 37 2.2.6 Tính tốn hệ số truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt 37 2.2.7 Tính tốn diện tích trao đổi nhiệt thiết bị 38 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG BƠM NHIỆT 39 3.1 Đặt toán 39 3.2 Tính tốn nhiệt 39 3.3 Tính tốn chu trình lạnh Water chiller 39 3.4 Nguyên lý,sơ đồ,chu trình hệ thống bơm nhiệt 41 3.5 Tính tốn hệ số truyền nhiệt chiều dài ống trao đổi nhiệt 47 3.5.1 Tính tốn hệ số tỏa nhiệt nước 47 3.5.2 Tính tốn hệ số tỏa nhiệt 51 3.5.3 Tính tốn hệ số truyền nhiệt 51 3.6 Kết q trình trao đổi nhiệt tồn hệ thống 52 3.7 Máy nén 60 3.7.1 Máy nén 60 3.7.2 Buồng nén (Xy lanh), Con lăn (Pít tơng), Lá van đẩy 61 3.7.3 Bình tách lỏng 62 3.7.4 Tính tốn cơng suất 62 3.8 Thiết bị bay 64 3.8.1 Phin lọc 65 3.8.2 Van tiết lưu 66 3.9 Thiết bị ngưng tụ 66 3.10 Van chặn 67 3.11 Thiết kế bồn trữ nhiệt 68 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ 70 CHƯƠNG KẾT LUẬN 70 DANH MỤC BẢNG BIỂU Hình 1.1 Sơ đồ lắp đặt bơm nhiệt cho nhà máy xử lý nước thải 12 Hình 1.2: Sự thay đổi COP cho bơm nhiệt khơng khí (Vladivostok, AprileAugust 2011) 14 Hình 1.3: Biểu diễn xu hướng nhiệt độ khơng khí bên ngồi, nhiệt độ nước thải lưu lượng (trung bình hàng giờ) ghi lại ống dẫn "C" tháng 10 15 Hình 1.4: Biểu đồ chuỗi thời gian ghi từ ngày 28/09/2006 đến ngày 15/02/2007 ống dẫn "C" nhiệt độ trung bình hàng nước thải khơng khí bên ngồi 16 Hình 1.5: Tổng chi phí cơng nghệ HVAC khác phân tích cho vùng khí hậu khác 17 Hình 1.6: Biểu đồ sử dụng lượng chế độ sưởi ấm khác điều kiện khác 18 Hình 1.7: Biểu đồ đầu tư ban đầu chi phí vận hành hàng năm phương pháp sưởi ấm khác 19 Hình 1.8: Biểu đồ thể xu hướng nhiệt độ cấp nước, nhiệt độ nước thải nhiệt độ phòng xung quanh sau phút 21 Hình 1.9: Sơ đồ hệ thống xây dựng sưởi ấm bơm nhiệt từ nguồn nước thải với chênh lệch nhiệt độ lớn 22 Hình 1.10: Sơ đồ chế độ hoạt động bơm nhiệt 25 Hình 1.11: Sơ đồ sử dụng HP WWHEX hệ thống WWSHP 25 Hình 1.12: Sơ đồ nguồn lượng WWSHP 26 Hình 1.13: Sơ đồ máy bơm nhiệt từ nguồn nước thải 27 Hình 1.14: Biểu đồ thể thay đổi COP bơm nhiệt nhiệt độ tăng giảm Một loạt hiệu suất Carnot từ 0,4 đến 0,6 vẽ biểu đồ vùng có exergy thấp đánh dấu [5,6] 29 Hình 1.15:Mơ hình bơm nhiệt gia nhiệt nước nóng sử dụng hộ gia đình 30 Hình 1.16: Phương án dùng điều hòa trung tâm bơm nhiệt đun nước nóng 31 Hình 1.17: Phương án dùng điều hòa trung tâm đa (hệ City Multi) 32 Hình 2.1 Biểu diễn chu trình làm việc đồ thị 36 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt 41 Hình 3.2 Đồ thị LogP-h chu trình lạnh cấp 42 Hình 3.3: Đồ thị T-s chu trình lạnh cấp 43 Hình 3.4 Sơ đồ di chuyển nước R22 ống 49 Hình 3.5 Sự thay đổi nhiệt độ nước môi chất lạnh hệ thống bơm nhiệt sau thời gian 20 (phút) 53 Hình 3.6 Sự chệnh lệch nhiệt độ nước bồn mô thực nghiệm (khảo sát nhiệt độ đỉnh bồn, bồn, đáy bồn) thời gian 20 phút 53 Hình 3.7 Sự thay đổi nhiệt độ nước môi chất lạnh hệ thống bơm nhiệt sau thời gian 40 (phút) 54 Hình 3.8 Sự chệnh lệch nhiệt độ nước bồn mô thực nghiệm (khảo sát nhiệt độ đỉnh bồn, bồn, đáy bồn) thời gian 40 phút 54 Hình 3.9 Sự thay đổi nhiệt độ nước môi chất lạnh hệ thống bơm nhiệt sau thời gian 60 (phút) 55 Hình 3.10 Sự chệnh lệch nhiệt độ nước bồn mô thực nghiệm (khảo sát nhiệt độ đỉnh bồn, bồn, đáy bồn) thời gian 60 phút 55 Hình 3.11 Sự thay đổi nhiệt độ nước môi chất lạnh hệ thống bơm nhiệt sau thời gian 80 (phút) 56 Hình 3.12 Sự chệnh lệch nhiệt độ nước bồn mô thực nghiệm (khảo sát nhiệt độ đỉnh bồn, bồn, đáy bồn) thời gian 80 phút 56 Hình 3.13 Sự thay đổi nhiệt độ nước môi chất lạnh hệ thống bơm nhiệt sau thời gian 100 (phút) 57 Hình 3.14 Sự chệnh lệch nhiệt độ nước bồn mô thực nghiệm (khảo sát nhiệt độ đỉnh bồn, bồn, đáy bồn) thời gian 100 phút 57 Hình 3.15 Sự thay đổi nhiệt độ nước môi chất lạnh hệ thống bơm nhiệt sau thời gian 120 (phút) 58 Hình 3.16 Sự chệnh lệch nhiệt độ nước bồn mô thực nghiệm (khảo sát nhiệt độ đỉnh bồn, bồn, đáy bồn) thời gian 120 phút 58 Hình 3.17: Máy nén piston 60 Hình 3.18: Lá van hút máy nén 61 Hình 3.19: Piston máy nén 61 Hình 3.20: Mặt cắt bình tách lỏng 62 Hình 3.21: Bình bay 64 Hình 3.22: Phin lọc 65 Hình 3.23: Bình ngưng tụ 66 Hình 3.24: Van chặn tay 67 Hình 3.25: Bồn chứa trước đổ foam 68 Hình 3.26: Pha trộn dung dịch để đổ foam 68 Hình 3.27: Bồn chứa sau đổ foam 69 Hình 3.28: Lắp đặt bồn chứa vào hệ thống chiller 69 DANH MỤC VIẾT TẮT COP CHP HP WW WWHEX WWSPH WWTP coefficient of performance combined heat and power generation heat pump wastewater wastewater heat exchangers wastewater source heat pump wastewater treatment plant Bảng ký hiệu đơn vị Đơn vị Ký hiệu F Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt m2 Qo Năng suất lạnh bồn tích trữ kW k Hệ số truyền nhiệt W/m2.K ∆t Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit ºC α Hệ số tỏa nhiệt W/ m2.K ρ Khối lượng riêng kg/m3 ν Hệ số nhớt động học m2/s λ Hệ số dẫn nhiệt W/m.K Cp Nhiệt dung riêng đẳng áp kJ/kg.K G Lưu lượng khối lượng kg/s d Đường kính ống mm L Chiều dài ống mm ω Vận tốc chất tải lạnh m/s n Số ống Re Hệ số Reynold Ra Hệ số Rayleigh Nu Hệ số Nusselt Pr Hệ số Prandtl Gr Hệ số Grashof 3.8.2 Van tiết lưu - Van tiết lưu thành phần hệ thống làm lạnh điều hịa khơng khí nén có nhiệm vụ kiểm sốt lượng chất làm lạnh giải phóng vào thiết bị bay nhằm điều chỉnh nhiệt chất làm lạnh chảy khỏi thiết bị bay đến giá trị ổn định Nhiệt độ thiết bị bay thay đổi theo áp suất bay hơi, điều phải điều chỉnh thông qua phương tiện khác (chẳng hạn cách điều chỉnh công suất máy nén) - Van tiết lưu thường lắp đặt dịng chất lỏng bình ngưng thiết bị bay 3.9 Thiết bị ngưng tụ: Hình 3.23: Bình ngưng tụ - Thiết bị ngưng tụ có nhiệm vụ ngưng tụ gas nhiệt sau máy nén thành môi chất lạnh trạng thái lỏng - Quá trình làm việc thiết bị ngưng tụ có ảnh hưởng định đến áp suất nhiệt độ ngưng tụ ảnh hưởng đến hiệu độ an toàn làm việc toàn hệ thống lạnh - Khi thiết bị ngưng tụ làm việc hiệu quả, thông số hệ thống thay đổi theo chiều hướng không tốt, cụ thể là: - Năng suất lạnh hệ thống giảm, tổn thất tiết lưu tăng - Nhiệt độ cuối q trình nén tăng 66 - Cơng nén tăng, mơ-tơ q tải - Độ an tồn giảm áp suất phía cao áp tăng - Nhiệt độ cao ảnh hưởng đến dầu bôi trơn cháy dầu - Đối với hệ thống bơm nhiệt,thiết bị ngưng tụ có vai trị nguồn nhiệt để gia nhiệt cho nước đến nhiệt độ định,đáp ứng yêu cầu sử dụng - Trong hệ thống bơm nhiệt,thiết bị ngưng tụ bình ngưng giải nhiệt nước 3.10 Van chặn Hình 3.24: Van chặn tay - Cấu tạo: gồm có lị xo,một kim loại ti van,khi có q trình khóa người sử dụng xoay núm vặn theo chiều kim đồng hồ,ti van đè chặt miếng kim loại xuống nhờ lị xị bên trong,khóa chặt hai miệng ống thân van,môi chất lúc nhốt lại.Ngược lại mở ti van lên,tấm kim loại hở mở cho môi chất qua - Vị trí lắp đặt: van nằm sau thiết bị ngưng tụ van nằm trước máy nén 67 3.11 Thiết kế bồn trữ nhiệt Hình 3.25: Bồn chứa trước đổ foam Hình 3.26: Pha trộn dung dịch để đổ foam 68 Hình 3.27: Bồn chứa sau đổ foam Hình 3.28: Lắp đặt bồn chứa vào hệ thống chiller 69 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ 4.1 Hiệu kinh tế hệ thống gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt so với hệ thống gia nhiệt nước nóng điện - So sánh cho hộ gia đình gồm người, tiêu thụ nước nóng 600 lít/ngày: Nhiệt độ nước ban đầu 27oC, nhiệt độ nước sau gia nhiệt 50oC, thời gian gia nhiệt giờ, môi chất lạnh sử dụng: R22 Lượng nhiệt cần để gia nhiệt 600lít nước từ 27oC đến 50oC: Q = M x C x ∆t = 100kg x 4,18 kJ/kg.K x 23 k = 57684 kJ * Nếu sử dụng bình đun nước điện trở: Lượng điện tiêu thụ = 57684 / 3600 = 16,02 kW = 16020 W 4.2 Hiệu mặt xã hội, môi trường hệ thống gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt so với hệ thống gia nhiệt nước nóng điện trở Đối với xã hội - Môi chất lạnh R22 khơng gây nhiễm bầu khí - Bình nước nóng bơm nhiệt đun nóng gián tiếp Do tuyệt đối an tồn với người dùng - Có thể kết hợp bơm nhiệt hệ thống hấp thụ lượng mặt trời để gia nhiệt cho nước CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết nghiên cứu để thiết kế chế tạo hệ thống tạo ra: - Ứng dụng máy lạnh để sản xuất nước lạnh phục vụ cho nhu cầu điều hịa khơng khí kết hợp với cung cấp nước nóng ngày sử dụng rộng rãi mang lại hiệu lớn cho xã hội, đặc biệt việc giảm thiểu tiêu thụ lượng điện góp phần bảo vệ môi trường 70 - Sau so sánh, đối chiếu kết Cho thấy, nguồn lượng trao đổi cho việc cung cấp nước nóng thay phải dùng điện trở nguồn lượng khác 71 Phụ lục Tư liệu tham khảo tra bảng nhiệt động: Bảng thông số vật lý nước: 72 Refrigerant 718 (Water/Steam) Properties of Saturated Liquid and Saturated Vapor 73 Refrigerant 22 (Chlorodifluoromethane) Properties of Saturated Liquid and Saturated Vapor 74 Mô hình thực nghiệm: Dựa liệu có sẵn, ta tính tốn thiết kế vẽ bồn trữ nhiệt 75 Với lưu lượng 50 lít/giờ ứng với cơng suất máy nén 40HP, bồn trữ nhiệt có kích thước: + Kích thước bồn trong: - Đường kính Dt = 340 mm - Chiều dài ht = 550 mm - Thể tích Vt = 𝜋 𝑅𝑡2 ℎ𝑡 = 3,14 ( 0,34 ) 0,55 = 50 𝑙í𝑡 - Inox 304, 𝛿𝑡 = 𝑚𝑚 + Kích thước bồn ngồi : - Đường kính Dn = 540 mm - Chiều dài hn = 750 mm - Thể tích Vn = 𝜋 𝑅𝑛2 ℎ𝑛 = 3,14 ( 0,54 ) 0,75 = 172 𝑙í𝑡 - Inox 304, 𝛿𝑛 = 0,8 𝑚𝑚 76 Sơ đồ mơ hình bơm nhiệt chạy thực nghiệm - Mơ hình bơm nhiệt thu nhiệt từ đầu đẩy máy nén hệ thống giải nhiệt nước Chiller Water Tận dụng nguồn nhiệt thải mơi trường bên ngồi, góp phần bảo vệ mơi trường hiệu kinh tế khả thi 77 78 Tài liệu tham khảo Cơ sở truyền nhiệt thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt - Hoàng Đình Tín Bơm nhiệt - PGS.TS Nguyễn Đức Lợi Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy lạnh thu hồi nhiệt để cung cấp đồng thời nhiệt lạnh – Nguyễn Công Vinh, Hồ Trần Anh Ngọc Lê Minh Nhựt, Nguyễn Văn Thái Nghiên cứu thu hồi nhiệt thải hệ thống điều hịa khơng khí Water Chiller giải nhiệt nước nhằm nâng cao hiệu bơm nhiệt cấp nước nóng, 10- 14, 2019 Phan Minh Mận, Nguyễn Công Vinh Nghiên cứu việc sử dụng máy bơm nhiệt tiết kiệm lượng để gia nhiệt hệ thống nước nóng, 568-575, lần thứ IV,2015 Leonid N Alekseiko Combination of wastewater treatment plants and heat pumps Pacific Science Review 16 (2014); 36−39 Sara Simona Cipolla, Marco Maglionico Heat recovery from urban wastewater: analysis of the variability of flow rate and temperature in the sewer of Bologna, Italy Energy Procedia 45 (2014);288–297 Marco Lucentini, Vincenzo Naso, Massimo Borreca Parametric performance analysis of Renewable Energy Sources HVAC systems for buildings Energy Procedia 45 (2014); 415– 423 Zhang Qunlia, Nie Qian, Liu Fang, Yin Chaohui Technology and Economic Analysis of Sewage Source Heat Pump Combined Type District Heating Method Energy Procedia 142, (2017);1312−1318 79 ... tài “ Thiết kế chế tạo hệ thống bơm nhiệt thu hồi nhiệt thải từ đầu đẩy máy nén hệ thống điều hịa khơng khí Water Chiller? ?? Với mục tiêu đưa hệ thống bơm nhiệt thu hồi nhiệt thải, đồng thời kết... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THU? ??T TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN Thiết kế chế tạo hệ thống bơm nhiệt thu hồi nhiệt thải đầu đẩy máy nén hệ thống điều. .. CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế chế tạo hệ thống bơm nhiệt thu hồi nhiệt thải đầu đẩy máy nén hệ thống điều hịa khơng khí Water Chiller - SV thực hiện: Bùi Chí Cường Mã số