MÔ HÌNH TOÁN QUÁ TRÌNH TRỮ LẠNH VÀ XẢ TẢI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 19, NO 4.2, 2021 39 MƠ HÌNH TỐN Q TRÌNH TRỮ LẠNH VÀ XẢ TẢI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ MATHEMATICAL MODELING OF COLD STORAGE AND COLD LOAD DISCHARGE PROCESS FOR AIR CONDITIONER SYSTEM Võ Chí Chính1* Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; *Tác giả liên hệ: vcchinh@dut.udn.vn (Nhận bài: 29/8/2020; Chấp nhận đăng: 12/11/2020) Tóm tắt - Trong lĩnh vực điều hịa khơng khí, giải Abstract - In the field of air conditioning, one of the solutions to save pháp tiết kiệm lượng, giảm chi phí đầu tư thực trữ lạnh Việc trữ lạnh mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho doanh nghiệp là: Giảm chi phí đầu tư, giảm chi phí điện tiêu thụ, nâng cao hiệu làm việc máy góp phần giảm phụ tải lưới điện Quốc gia Trong giải pháp trữ lạnh, giải pháp trữ lạnh băng có nhiều ưu điểm áp dụng rộng rãi, đặc biệt hệ thống cơng suất bình Trong giải pháp trữ băng, chủ yếu người ta sử dụng giải pháp đóng băng bên ngồi đường ống Bài báo trình bày kết xây dựng mơ hình tốn giải hai trường hợp: Q trình hình thành băng (gọi trình nạp tải) trình tai băng (gọi trình xả tải) Kết tính tốn sở để nhóm tác giả thiết kế bồn trữ lạnh cho hệ thống điều hịa khơng khí cơng suất trung bình Việt Nam energy and reduce investment costs is to implement cold storage Cold storage brings a lot of practical benefits to businesses, including: Reducing investment costs, reducing power consumption costs, improving working efficiency of the machine and contributing to reducing the national grid load In cold storage solutions, ice cold storage solutions have many advantages and are widely applied, especially in-tank capacity systems In ice storage solutions, mainly people use the freezing solution outside the pipes This paper presents the results of constructing the mathematical model and solving it in two cases: the ice formation (called the loading process) and the belt ear process (called the discharge process) The calculation results are the basis for us to design cold storage tanks for medium capacity air conditioning systems in Vietnam Từ khóa - Trữ lạnh; trữ nhiệt; tiết kiệm lượng; điều hòa Key words - Cold storage; heat storage; energie saving; air khơng khí; cao điểm conditioning; peak times Đặt vấn đề Trong nhiều cơng trình nghiên cứu vấn đề trữ lạnh, nhóm tác giả nhiều tác giả khác phân tích rõ ưu điểm bật giải pháp [1, 2, 3, 4, 5, 6] thể điểm sau đây: • Giảm công suất đầu tư hệ thống, nhờ giải pháp san tải; • Dịch chuyển thời gian vận hành từ ban ngày sang ban đêm nên hiệu làm việc máy lạnh cao hơn; • Do vận hành lúc thấp điểm thay cho cao điểm nên giá điện tiêu thụ rẻ hơn, khoảng 1/3 • Góp phần giảm tải cho lưới điện Việt Nam lúc cao điểm Trong báo này, nhóm tác giả trình bày kết mơ mơ hình tốn q trình trữ lạnh xả tải để từ tính tốn thời gian kết đơng, phân bố ống dàn trao đổi nhiệt cấu tạo bể trữ lạnh cách hợp lý Việc tính tốn q trình truyền nhiệt lúc trữ lạnh băng bên ngồi đường ống q trình xả tải phức tạp, khó khăn chiều dày lớp băng thay đổi, dẫn đến trở nhiệt lớp băng thay đổi suốt thời gian truyền nhiệt Nhóm tác giả giải tốn nhờ phần mềm tính tốn Mơ hình tốn q trình trữ lạnh 2.1 Sơ đồ ngun lý Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị trữ lạnh nhóm tác giả thể Hình Phần lắp đặt thêm cho dự án làm việc hồn tồn độc lập nhằm thực q trình trữ lạnh, gồm: Một hệ thống lạnh dung làm lạnh trực tiếp nước bể trữ lạnh kín Bên bể trữ lạnh có đặt 02 dàn trao đổi nhiệt: Dàn làm lạnh nước đá dàn xả tải lạnh bể Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống trữ lạnh Ở dàn làm lạnh băng hình thành bám bên đường ống trao đổi nhiệt lớn dần tràn đầy bể trữ, bên đường ống trao đổi nhiệt môi chất lạnh R134a bay nhận nhiệt từ nước Dàn xả tải lạnh bể đưa nước ấm từ hộ điều hòa về, nhiệt độ khoảng 12oC băng bể làm lạnh đến khoảng 7oC Quá trình băng nhận nhiệt từ nước ấm tan dần The University of Danang - University of Sciences and Technology (Vo Chi Chinh) 40 Võ Chí Chính Ban đêm: Hệ thống lạnh lắp đặt thêm chạy trữ lạnh vào bể đá Quá trình trữ thực vào thời gian thấp điểm để đơn giá điện thấp đồng thời thời điểm mát mẻ để hệ thống hoạt động hiệu lượng cao Ban ngày: Hệ thống điều hịa hoạt động lúc bình thường Trong giai đoạn cao điểm từ 9h 30 đến 11h 30 từ 17h 00 đến 20h 00 hệ thống lạnh máy điều hòa tạm dừng để tránh cao điểm thực trình xả tải bể đá để làm lạnh thay cho máy điều hịa 2.2 Mơ hình tốn trình trữ lạnh Quá trình tạo băng đường ống thực sau: Môi chất lạnh bay ống làm lạnh nước bể tạo nên lớp băng có bề dày sau thời gian  x Khi nhiệt độ nước xung quanh ống đạt oC, coi tồn nhiệt lượng mà môi chất lạnh nhận được dùng để tạo băng - Dòng nhiệt truyền từ nước lạnh vào dịng mơi chất bên đường ống: Ql = tb,ng−t0 d d ln x + ln + 2πb d2 2πm d1 πd1 α1 , w/𝑚 τ= mx qr tb,ng −t0 τ= τ= ln + d2 2πm ln d2 d1 + πd1 α1 ] (5) π.ρb (r2 x −r2 ).qr tb,ng −t0 [ 2πb ln d𝑥 d2 + 2πm ln d2 d1 + πd1 α1 ] (6) ρb (rx2 − r22 ) qr d𝑥 d2 [ ln + ln + ] t b,ng − t 2b d2 2m d1 d1 α1 Xây dựng quan hệ x = f() Thay rx = r2 + x dx = d2 + x vào công thức ta có quan hệ x = f() sau: τ= ρb [(𝑟2 +δ𝑥 )2 −r2 ].qr tb,ng −t0 [ 2b ln d2 +2.𝛿𝑋 d2 + 2m ln d2 d1 + d1 α1 ] (7) 2.3 Giải tốn trữ lạnh Các thơng số dàn trao đổi nhiệt đưa Bảng Căn vào thông số cụ thể dàn, nhóm tác giả xác định quan hệ x = f() Bảng Hình Bảng Các thông số đầu vào dx, d2, d1 – Đường kính lớp băng thời điểm , đường kính ngồi ống dẫn mơi chất, m; TT 1- Hệ số tỏa nhiệt phía mơi chất lạnh, W/m2.K b, m – Hệ số dẫn nhiệt băng kim loại ống, W/m.K; 2πb d𝑥 Thay vào ta có : (1) Trong đó: tb,ng, to – Nhiệt độ lớp ngồi băng nhiệt độ bay mơi chất, oC; [ Thơng số Đường kính ngồi ống TĐN Đường kính ống TĐN Bán kính ngồi ống TĐN Bán kính ống TĐN Khối lượng riêng băng Nhiệt ẩn đóng băng nước Nhiệt độ ngồi lớp băng Nhiệt độ bay môi chất R134a Hệ số dẫn nhiệt băng Ký hiệu Giá trị d2 28,83mm d1 26,64mm r2 14,42mm r1 13,32mm 920 kg/m3 b qr 333550 J/kg tb,ng oC 10 Hệ số dẫn nhiệt ống đồng 11 Hệ số tỏa nhiệt phía mơi chất sơi t0 -10 oC b 2,236 W/m.K m 380 W/m.K 1 2500 W/m2.K Bảng Kết tính tốn x, mm , Phút 10 15 20 25 30 35 40 45 50 25 57 102 162 236 326 432 555 695 Hình Quá trình tạo băng - Khối lượng băng bám m chiều dài đường ống sau thời gian  Mx = π ρb (rx2 − r22 ), kg/m (2) - Nhiệt lượng khối băng truyền cho môi chất ống sau thời gian  Q τ = mx qr , J/m (3) - Công suất trung bình: Ql = Qτ τ = mx qr τ - Quan hệ thời gian độ dày lớp băng: (4) Hình Quan hệ x = f() Nhóm tác giả xây dựng đường đặc tính quan hệ chiều dày băng tạo thành với thời gian làm lạnh x = f() Đó để bố trí dàn ống hợp lý để sau thời gian trữ lạnh, nước đóng băng tồn thể tích bể Kết cho thấy, sau thời gian trữ lạnh khoảng 10 giờ, băng bám dày 50mm xung quanh ống ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 19, NO 4.2, 2021 Như vậy, mật độ phân bố ống bể cách khoảng 100mm đạt yêu cầu Q trình xả tải 3.1 Mơ tả q trình xả tải tốn Q trình xả tải thực nhờ nước ấm từ hộ tiêu thụ Nhiệt độ nước đầu vào 12oC đầu 7oC Sau đó, nước dẫn đến dàn trao đổi nhiệt (FCU) để trao đổi nhiệt với không khí thực q trình điều hịa Như vậy, lớp nước tan chảy nằm lớp băng ống trao đổi nhiệt Chiều dày lớp nước tan chảy tăng dần coi lớp nước sát băng có nhiệt độ 0oC τ= π.ρb (r2 x −r2n ).qr tn,tb −tnd [ 2π𝑛 ln d𝑥 d2𝑛 41 + 2πt ln d2𝑛 d1𝑛 + πd1𝑛 α𝑛 ] (12) τ= ρb (r2 x −r2n ).qr tn,tb −tnd [ 2n ln d𝑥 d2𝑛 + 2t ln d2𝑛 d1𝑛 + d1𝑛 α𝑛 ] (13) Xây dựng quan hệ x = f() Thay rx = r2n + x dx = d2n + x vào công thức ta có quan hệ x = f() sau: τ= ρb [(𝑟2𝑛 +δ𝑥 )2 −r2 2n ].qr tn,tb −tnd d1𝑛 α𝑛 [ 2n ln d2𝑛 +2.𝛿𝑋 d2𝑛 + 2t ln ] d2𝑛 d1𝑛 + (14) 3.2 Kết giải tốn xả tải Các thơng số tính tốn trao đổi nhiệt nước ấm băng trình xả tải đưa Bảng Trên sở thông số cấu trúc dàn trao đổi nhiệt thông số mơi chất, nhóm tác giả sử dụng phần mềm tính tốn xác định quan hệ chiều dày lớp băng tan chảy theo thời gian Bảng Hình Bảng Các thơng số đầu vào Hình Mơ hình xả tải - Dịng nhiệt truyền từ nước ấm vào lớp băng bên đường ống: Ql = tn,tb −tnđ dx d ln + ln 2n + 2πn d2n 2πt d1n πd1n αn , w/𝑚 (8) Trong đó: tn,tb, tnd – Nhiệt độ trung bình nước ấm nhiệt độ lớp nước, oC; n, t – Hệ số dẫn nhiệt nước kim loại ống (thép), W/m.K; dx, d2n, d1n – Đường kính ngồi lớp nước thời điểm , đường kính ngồi ông dẫn môi chất, m; n- Hệ số tỏa nhiệt phía nước ấm, W/m K - Khối lượng băng tan m chiều dài đường ống sau thời gian  ), mx = π ρb (rx2 − r2n kg/m (9) - Nhiệt lượng khối băng truyền cho môi chất ống sau thời gian  Q τ = mx qr , J/m (10) - Công suất trung bình: Ql = Qτ τ = mx qr τ Bảng Kết tính tốn x, mm 10 15 20 25 30 35 40 , Phút 24 38 56 77 103 133 167 13 45 50 (11) - Quan hệ thời gian độ dày lớp băng tan: mx qr d𝑥 d𝑛2 τ= [ ln + ln + ] t n,tb − t nd 2πn d2𝑛 2πt d𝑛1 πd1𝑛 α𝑛 Thay vào ta có: Thơng số Ký hiệu Giá trị Đường kính ngồi ống TĐN d2 21mm Đường kính ống TĐN d1 15mm Bán kính ngồi ống TĐN r2 10,5mm Bán kính ống TĐN r1 7,5mm Khối lượng riêng băng 920 kg/m3 b Nhiệt ẩn đóng băng nước qr 333550 J/kg Nhiệt độ nước tnd oC Nhiệt độ trung bình nước ấm t 9,5 oC Hệ số dẫn nhiệt nước (có 10 W/m.K n đối lưu) 10 Hệ số dẫn nhiệt ống thép 46,5 W/m.K t Hệ số tỏa nhiệt phía mơi 11 2500 W/m2.K n chất sôi TT Hình Quan hệ x = f() - Trên sở kết cấu bể trữ lạnh nhóm tác giả xây dựng mơ hình tốn q trình xả lạnh Đó q trình tan băng bên ngồi đường ống thép trơn - Nhóm tác giả xây dựng đường đặc tính quan 42 hệ chiều dày băng tan chay với thời gian xả lạnh Đó để bố trí dàn ống hợp lý để sau thời gian xả lạnh, băng tan chay tồn thể tích bể Kết cho thấy, sau thời gian xả lạnh khoảng giờ, băng tan chảy hết dày 50mm xung quanh ống Kết luận Qua việc phân tích giải pháp tích trữ lạnh tính tốn đánh giá sơ hiệu dự án nhóm tác giả rút số kết luận sau: - Về thời gian nạp tải, sau 10 nạp tải lượng băng bám bên ngồi đường ống tính tốn khoảng 50mm cần bố trí khoảng cách ống trao đổi nhiệt dàn trữ lạnh khoảng 100mm hợp lý - Tương tự, phía dàn xả tải cần khoảng thực hết việc làm tan chảy băng bên ống với đội dày 50mm Với kết tính phân bố đường ống xả tải thưa so với nạp tải khoảng cách thích hợp khoảng 150mm Võ Chí Chính - Các kết tính tốn sở để thiết kế bố trí dàn trao đổi nhiệt bên bể trữ lạnh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Thùy Vy, Nghiên cứu tiết kiệm lượng bồn trữ lạnh, Luận án thạc sĩ, 2011 [2] Lê Thị Việt Hương, Nghiên cứu thiết kế thiết bị tích trữ lạnh cho hệ thống điều hịa khơng khí water chiller sân bay Đà Nẵng, Luận án thạc sĩ, 2014 [3] Nguyễn Thế Bảo, Trương Hồng Anh, Nghiên cứu khả dùng công nghệ tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngồi ống hệ thống điều hòa trung tâm, Tạp chí Phát triển KH&CN, tập 10, Số 02 – 2007 [4] Nguyễn Thế Bảo, Nghiên cứu thiết kế bồn tích trữ lạnh cho hệ thống lạnh xây dựng mơ hình thí nghiệm, Đề tài nghiên cứu cấp thành phố 2003-2004 [5] Nguyễn Thế Bảo, Bồn trữ lạnh: Một giải pháp giảm chi phí đầu tư vận hành, Hội thảo: Sử dụng hiệu lượng bảo vệ môi trường, Đại học Quốc gia Sở Khoa học Cơng nghệ Mơi trường Thành phố Hồ Chí Minh 10/2003 [6] Võ Chí Chính, Phạm Ngọc Cơng, Trữ lạnh để tiết kiệm chi phí điện cho hệ thống điều hịa cơng suất lớn, Hội thảo CLB trường Đại học kỹ thuật, 2017