Đang tải... (xem toàn văn)
Untitled TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ K1 2017 11 Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hệ thống làm lạnh bay hơi sử dụng chất hút ẩm lỏng Nguyễn Thế Bảo Tóm tắt— Bài báo trình bày nghiên cứu l[.]
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ K1-2017 11 Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm hệ thống làm lạnh bay sử dụng chất hút ẩm lỏng Nguyễn Thế Bảo Tóm tắt— Bài báo trình bày nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm hệ thống làm lạnh bay sử dụng chất hút ẩm lỏng, tập trung vào hai thiết bị hệ thống tháp tách ẩm (thiết bị tách ẩm) tháp tái sinh (thiết bị hoàn nguyên) Kết lý thuyết thực nghiệm cho thấy lý thuyết phân tích nói chung chương trình mơ nói riêng cho độ xác tin cậy chấp nhận Từ đó, chương trình mơ dùng mô hệ thống làm lạnh bay sử dụng chất hút ẩm để phân tích kinh tế - kỹ thuật đánh giá khả ứng dụng công nghệ làm lạnh bay sử dụng chất hút ẩm lỏng hệ thống điều hịa khơng khí vào Việt Nam Từ khóa— điều hịa khơng khí, làm lạnh bay hơi, chất hút ẩm, chất hút ẩm lỏng V TỔNG QUAN iệt Nam quốc gia nằm vùng khí hậu nhiệt đới Theo thống kê cơng suất điện tiêu cho hệ thống điều hịa cơng trình cao ốc văn phịng, khách sạn chiếm từ 50-75% tổng lượng điện tiêu thụ [1] Mặc dù có nhiều hệ thống điều hịa khơng khí cải tiến nhằm tiết kiệm lượng hệ thống điều hịa trung tâm có lưu lượng nước, lưu lượng gió thay đổi theo phụ tải, v.v sở hiệu chỉnh suất lạnh sát với phụ tải thực tế, nhiên hệ thống sử dụng nguồn lượng cao cấp điện Các hệ thống điều hịa nói Bài nhận ngày 07 tháng 11 năm 2016, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 12 tháng năm 2017 Bài báo phần kết Đề tài Nghiên cứu Khoa học “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ làm lạnh bay nước dùng chất hút ẩm dạng lỏng số hệ thống điều hịa khơng khí” năm 2010 Sở Khoa học Cơng nghệ TP.HCM cấp kinh phí Nguyễn Thế Bảo - Viện Phát triển Năng lượng Bền vững ISED (e-mail: drthebao@gmail.com) phải làm lạnh nhiệt lẫn nhiệt ẩn, mà lượng nhiệt ẩn thường chiếm từ 20%-60% tổng suất lạnh tùy loại công trình văn phịng, nhà hàng, siêu thị, điều kiện thời tiết bên ngồi Vì hệ thống điều hịa thơng thường phải tốn lượng điện để khử lượng nhiệt ẩn đáng kể Để khắc phục vấn đề trên, số giải pháp đánh giá cao kết hợp hệ thống điều hoà với chất hút ẩm rắn lỏng để khử phần nhiệt ẩn không cần dùng nguồn lượng cao cấp điện mà sử dụng lượng mặt trời hay nguồn nhiệt thải thấp sẵn có, giúp tiết kiệm điện tiêu thụ đáng kể Có nhiều nghiên cứu giới lý thuyết thực nghiệm công nghệ làm lạnh bay sử dụng chất hút ẩm lỏng hay rắn cho điều hịa khơng khí [2,3] Liu cộng [4] đã so sánh hoạt động hai loại chất hút ẩm thông dụng LiCl LiBr kết luận LiCl tách ẩm tốt LiBr, LiBr lại thực việc tái tạo tốt Luo cộng [5] đã nghiên cứu hai loại tháp tách ẩm thong dụng loại tháp đoạn nhiệt (adiabatic dehumidifier) loại làm lạnh bên (internally cooled dehumidifier) Loại đoạn nhiệt đơn giản gia nhiệt trình tách ẩm làm giảm hiệu suất thiết bị Nhược điểm khắc phục loại tháp tách ẩm làm lạnh bên Xiong cộng [6] đã đề xuất loại thiết bị tách ẩm hai tầng (two-stage dehumidification unit) kết hợp phân tích exergy Trong thiết bị khơng khí qua dung dịch CaCl2 trước qua dung dịch LiCl Ưu điểm trình tiền tách ẩm sử dụng CaCl2 giảm bớt không thuận nghịch trình tách ẩm Mặt khác, trình tái tạo LiCl tái tạo trước đến CaCl2 Hiệu suất nhiệt thiết bị báo cáo đạt 73% hiệu suất exergy đạt 23% Trong hướng nghiên cứu khác, Kim cộng [7] đã làm nghiên cứu hệ thống làm lạnh bay kết hợp thiết bị tách ẩm lỏng sử 12 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 20, No.K1- 2017 dụng 100% khơng khí tươi trời cho thấy hệ thống sử dụng 51% tải lạnh loại VAV thơng thường Khalil [8] đã kết hợp hệ thống tách ẩm sử dụng LiCl với hệ thống lạnh sử dụng máy nến thong thường cho kết hệ thống tiết kiệm 53% năm so với hệ thống lạnh máy nén thơng thường Các mơ hình tốn cho thiết bị tách ẩm sử dụng chất hút ẩm dạng lỏng nhiều tác giả nghiên cứu, từ mơ hình truyền chất động học [9], mạng thần kinh nhân tạo (artificial neural network) [10], mơ hình dựa phương pháp Runge-Kutta [11] đến phương pháp phân tích đơn giản [12] Đặc điểm chung nghiên cứu không tách riêng thiết bị (tháp tách ẩm, thiết bị tái tạo, tháp làm mát, thiết bị làm mát…) theo module để dễ viết chương trình mơ (simulation) cho hệ thống làm lạnh bay sử dụng chất hút ẩm dạng lỏng Vì báo tập trung theo hướng module hóa mặt tốn học cho thiết bị Vấn đề chất hút ẩm bị theo vào khơng gian điều hịa hệ thống hở đã nhiều tác giả nghiên cứu tìm cách khắc phục Một giải pháp cho khơng khí qua màng xốp cực nhỏ (micro-porous membrane)để hạn chế việc chất hút ẩm bị theo [13] Kumar cơng [14] đề xuất sử dụng hai vịng tuần hồn chất hút ẩm lỏng riêng lẻ, vịng tuần hoàn sử dụng nhiều hấp thụ dựa thiết kế màng rơi (falling film based absorbers) Đề xuất hạn chế việc chất hút ẩm bị vào hệ thống đồng thời giúp tăng hệ số COP hệ thống nói chung Ở Việt Nam có cơng trình nghiên cứu cơng nghệ [15, 16] Vì báo mong muốn góp phần vào việc nghiên cứu khả ứng dụng công nghệ làm lạnh bay sử dụng chất hút ẩm lỏng cho điều hịa khơng khí Việt Nam PHÂN TÍCH LỰA CHỌN HỆ THỐNG Phương pháp tách ẩm chất hút ẩm để làm khô không khí sử dụng chất hút ẩm rắn hay chất hút ẩm lỏng Theo nghiên cứu [9], chất hút ẩm lỏng có nhiều ưu điểm so với chất hút ẩm rắn, cụ thể sau: • Năng suất hút ẩm chất hút ẩm rắn nói chung nhỏ chất hút ẩm lỏng Ví dụ, chất hấp phụ molecular sieve giữ 17% khối lượng khơ khơng khí có nhiệt độ 21 oC độ ẩm tương dối 20% Trong chất hấp thụ LiCl giữ 130% khối lượng khơ điều kiện nhiệt độ độ ẩm Điều dẫn tới việc dùng CHA lỏng cho phép ta giảm kích thước thiết bị, phù hợp cho việc ĐHKK cho tòa nhà, siêu thị, nhà ga.v.v • Một qui trình hút ẩm ln xảy đồng thời hai q trình, hút ẩm làm khơ khơng khí hồn ngun chất hút ẩm Nhược điểm chất hút ẩm rắn nhiệt độ hoàn nguyên cao, thường khoảng 120 –2200C, nhiệt độ hoàn nguyên chất hút ẩm lỏng lại thấp khoảng 40 – 1500C Nhiệt độ hoàn nguyên chất hấp thụ lỏng phù hợp sử dụng nguồn lượng thấp, lượng mặt trời hay nguồn nhiệt thải • Cấu tạo máy hút ẩm dùng chất hút ẩm rắn, thành phần rotor có dạng ma trận tổ ong, gồm nhiều khe xốp đồng chất hút ẩm dạng rắn dạng hạt bố trí kết dính lớp dạng phủ lên bề mặt rotor nên công suất hút ẩm máy bị khống chế kích thước độ khơ chất hút ẩm sau q trình hồn ngun rotor, dẫn đến ổn định máy hút ẩm không cao Cụ thể mà thông số khơng khí đầu vào bị thay đổi thơng số khơng khí đầu bị thay đổi Ngược lại máy hút ẩm dùng chất hút ẩm lỏng khắc phục hạn chế cách thay đổi thay đổi lưu lượng, thay đổi nồng độ dung dịch vào tháp tách ẩm cho phù hợp Qua phân tích trên, hệ thống hút ẩm dùng chất hút ẩm lỏng lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu Hệ thống ĐHKK thiết kế cho không gian lớn tập trung đơng người có tải nhiệt ẩn cao cần lượng gió tươi lớn nên phương án lựa chọn đưa là: Sử dụng chất hút ẩm lỏng để đảm nhận tải nhiệt ẩn cách thực việc tách ẩm tháp tách ẩm Quá trình tái tạo dung dịch thực tháp tái tạo Dùng kết hợp làm lạnh bay (LLBH) trực tiếp gián tiếp để đảm nhận khử tải nhiệt nhằm giảm nhiệt độ khơng khí đến giá trị cần thiết Nước nóng dùng làm chất tải nhiệt để cung cấp nhiệt cho trình tái tạo dung dịch Nhiệt cấp cho nước nóng tuần hồn lượng mặt trời, nhiệt thải hay nhiệt đốt cháy nhiên liệu hữu khí đốt, dầu, than v.v Sơ đồ ĐHKK lựa chọn xây dựng mơ tả hình đây: TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ K1-2017 10 13 Thải Không khí trời Khô ng gian điều hòa 11 Không khí thoát qa qh GHI CHÚ Đườ ng không khí điề u hoà Đường dung dich Không khí tái tạo 11 Đườ ng nước tuần hoàn Đườ ng không khí thứ cấp Hình Hệ thống điều hịa khơng khí làm lạnh bay tách ẩm chất hút ẩm lỏng Trong sơ đồ có dịng lưu chất bao gồm: dịng khơng khí q trình cung cấp cho khơng gian điều hịa để thực tải nhiệt nhiệt ẩn sau qua LLBH gián tiếp, dịng tuần hồn dung dịch chất hút ẩm qua tháp tách ẩm tháp tái tạo Ngồi cịn có dịng nước dùng cho xối tưới LLBH nước làm mát, nước gia nhiệt dung dịch CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Tháp tách ẩm (Dehumidifier) Dựa phương trình cân lượng giả thiết dịng dung dịch đặn qua tháp tách ẩm ta có: - Phương trình cân khối lượng: Cho khơng khí là: da (1) hm Pw (a e ) Ga dZ Cho dung dịch là: dC s (2) hm Pw (a e ) Gs dZ - Phương trình cân lượng: Cho khơng khí là: dT (3) Ga C pm a U a Pa (Ts Ta ) dZ Cho dung dịch là: Gs dI s dZ Gs C pm dTa dT GwC pw w dZ dZ d aI G a dZ fg Cho nước là: dT GwC pw w U w Pa (Ts Tw ) dZ ω a, I a , T a Khơng khí Nước I w, T w (4) (5) ωs, Is, Ts Dung dịch Z Lw + dIw dZ ωa + dωa Ia + dIa ωs + dωs Is + dIs Hình Cân nhiệt chất qua tháp tách ẩm Trong ωe lượng ẩm bão hòa (cân bằng) dung dịch: Pe e 0,62197 (6) Patm Pe Hệ số truyền chất là: J aVa (7) hm D Sc 2 / Trong đó: Sc = a a D AB (8) 14 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 20, No.K1- 2017 Hệ số Colburn đưa R.E Treybal [17]: 0,17 J D 0,023 Rea (9) Va Di a Với: Rea = a 4000 < Rea < 60.000; 0,3 < Sc < 3.000 Hệ số tỏa nhiệt bề mặt khơng khí tính tương quan Reynolds theo [18]: 2/3 kca C pm hm (Le) (10) Trong hệ số Lewis Le = Sc/Pra Sc – hệ số Schmidt, xác định bằng: Sc = ν / D, với ν độ nhớt động học D hệ số khuếch tán khối lượng tính theo công thức: 435,7T3/2 D= 1/3 p(VA +VB1/3 ) 1 + μA μB Trong T, p, V µ nhiệt độ, áp suất, thể tích độ nhớt khơng khí, Hệ số tỏa nhiệt bề mặt dung dịch cho dòng chảy tầng lớp mỏng xác định là: 0,33 0,11 Pr Sr (11) Nus 0,67 Re s La với Res < 2300 Gs 4 ; (12) Trong đó: Re s NT Di a Giảm chiều dày lớp CHA cho pha đơn xác định theo công thức: 1/ 3 s Res < 1600 với S (13) 9,81 s Cho dòng song song hai pha xuống pha tách riêng trở thành : S = [1 – 0,022(Va – 4)]So (14) S ST (15) 1/ 0,9085 Re s Hệ số tỏa nhiệt liên kết là: Nus K s (16) hs Sr Hệ số tỏa nhiệt phía nước xác định theo [17] 0,55 1/ Nuw 0,36 Rew Prw , 2000 < Rew