Untitled TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 19, SOÁ K2 2016 Trang 61 Đánh giá hiệu quả năng lượng và exergy chu trình sản suất nước đá khô CO2 kết hợp máy lạnh hấp thụ NH3 H2O một cấp Nguyễn Minh Phú[.]
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K2- 2016 Đánh giá hiệu lượng exergy chu trình sản suất nước đá khô CO2 kết hợp máy lạnh hấp thụ NH3-H2O cấp Nguyễn Minh Phú Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM (Bản nhận ngày 21 tháng 07 năm 2015, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 25 tháng 01 năm 2016) TĨM TẮT Để giảm cơng suất nén, để sử dụng chu trình dẫn động nhiệt, để giảm lượng CO2 khơng khí, chu trình kết hợp máy lạnh hấp thụ máy lạnh nén đề xuất phân tích Trong báo này, tác giả trình bày phân tích lượng exergy chu trình kết hợp Tác giả mơ chu trình kết hợp dùng phần mềm EES (Engineering Equation Solver) Áp suất ngưng tụ CO2 nhiệt độ bình phát sinh sử dụng làm thông số độc lập Các kết tổng công suất bơm nén sử dụng chu trình kết hợp giảm đáng kể, khoảng 44,4%, so với hệ thống làm lạnh ammonia truyền thống Hầu hết tính khơng thuận nghịch xảy máy lạnh hấp thụ tính khơng thuận nghịch bình hấp thụ có phần lớn Sự tăng nhiệt độ nước giải nhiệt giảm nhiệt độ dung dịch cải thiện tính khơng thuận nghịch bình hấp thụ Tuy nhiên tăng nhiệt độ nước giải nhiệt làm giảm tính khơng thuận nghịch nhiều so với giảm nhiệt độ dung dịch Từ khóa: Phân tích lượng, phân tích exergy, máy lạnh hấp thụ, sản xuất đá khơ GIỚI THIỆU Ngày nay, vấn đề môi trường phải đối mặt lượng lớn CO2 thải nguồn nhiên liệu hóa thạch nhà máy nhiệt điện, việc cháy tài nguyên rừng giới Giữa lo ngại gia tăng tác động hoạt động dẫn đến ấm dần trái đất, ta cần thiết tìm phương pháp làm giảm khí thải CO2 khắp giới Thu hồi CO2 trữ, tăng hiệu suất trình chuyển đổi lượng ứng dụng lượng giải pháp năm gần Tác giả đề xuất giảm nồng độ CO2 khơng khí cách làm đá khơ từ khí thải q trình hóa học khói Chu trình sản xuất đá khơ cần cơng suất nén lớn, nhiệt độ vận hành thấp (-78 oC l atm) áp suất ngưng tụ cao (67 bar 300 K) Áp suất ngưng tụ cao dẫn đến giảm hiệu suất nén gia tăng chi phí thiết kế ống dẫn/thiết bị chi phí vận hành [1] Do cần phải cải thiện chu trình để giảm cơng suất nén khảo sát tính khơng thuận nghịch thiết bị Trong nghiên cứu này, tác giả dùng máy lạnh hấp thụ ammonia-nước cấp đặt (Topping cycle), chu trình sản xuất đá khơ đặt (Bottoming cycle) Máy lạnh hấp thụ chọn khơng làm giảm áp suất ngưng tụ, mà làm giảm tổng công suất nén Hơn nữa, tác giả dùng máy lạnh dẫn động nhiệt Trang 61 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.19, No.K2 - 2016 lượng cấp thấp từ phế phẩm nông nghiệp (mùn cưu, trấu, ), nhiệt thải từ q trình cơng nghiệp lượng tái tạo lượng mặt trời dùng để vận hành chu trình Các phương pháp phân tích lượng exergy áp dụng để khảo sát chu trình kết hợp Các phương pháp phương pháp thiết lập tốt, dùng để nghiên cứu trình chuyển đổi lượng khẳng định Talbi Agnew [2] MƠ TẢ HỆ THỐNG Hình Sơ đồ hệ thống sản xuất đá khơ với chu trình máy lạnh hấp thụ ammonia-nước Sơ đồ chu trình ghép tầng nén hơi-hấp thụ đề cập trình bày hình Cấu thành gồm chu trình đá khơ CO2 tầng nhiệt độ thấp chu trình máy lạnh hấp thụ cấp tầng nhiệt độ cao Nhằm mục đích đơn giản, chu trình đá khơ CO2, khí CO2 bổ xung giả sử CO2 tinh khiết sau trình tinh chế rửa Khí CO2 nén hai cấp (C1 C2) sau giải phóng nhiệt bình ngưng tương ứng Trang 62 tới bình bay (CHX) chu trình máy lạnh hấp thụ, cuối trở thành lỏng bão hòa Lỏng qua van tiết lưu (EV3) có lỏng bình trung gian (FD) giãn nở vào máy ép tuyết Khi đủ lượng CO2 máy ép, van tiết lưu đóng lại Sau áp suất thủy lực nén hóa rắn tuyết ẩm thành khối rắn Sau máy ép mở gỡ khối CO2 Tiếp theo khối CO2 gói giấy chống thấm nước Hơi phát sinh từ trình thăng hoa bên gói giấy tạo lớp cách nhiệt làm giảm tổn thất nhiệt Hơi trạng thái bão hòa tách (S) vào cấp nén (C1) với khí bổ xung [1] Để giảm cơng suất nén, CO2 làm mát nước (I) sau cấp nén sau làm lạnh bình trung gian FD CO2 bay sau van tiết lưu EV3 Trong chu trình máy lạnh hấp thụ, để đạt áp suất ngưng tụ CO2 thấp CHX, cặp môi chất làm việc ammonia-nước chọn thay cặp nước-lithium bromide Sơ đồ ngưng tụ phần chọn COP cao so với sơ đồ ngưng tụ hồn tồn [3] Nhiệt cấp vào bình phát sinh (G) làm cho môi chất lạnh (NH3) tách từ dung dịch NH3-H2O Trong nghiên cứu tác giả dùng nước cấp nhiệt cho bình phát sinh Thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch (SHX) sử dụng để tăng hiệu suất chu trình Sau khỏi bình ngưng hồi lưu (R), mơi chất lạnh qua bình ngưng (C) CHX sau qua van tiết lưu (EV1) Để tăng độ lạnh ammonia vào EV1, thiết bị trao đổi nhiệt NH3 (NH3 HX) đưa vào chu trình Hơi ẩm ammonia vào CHX nhận nhiệt từ CO2 sôi đến trạng thái bão hịa Hơi bão hịa vào bình hấp thụ (A) hịa với dung dịch lỗng từ bình phát sinh G Nhiệt giải phóng bình ngưng bình hấp thụ thải cho nước giải nhiệt Q trình hịa trộn tạo thành dung dịch đặc Dung dịch đặc bơm (P) đẩy tới phía áp suất cao chu trình Dung dịch lỗng nhiệt độ thấp khỏi thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch đặc (SHX) giãn nở van tiết lưu (EV2) thành áp suất thấp TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K2- 2016 lượng Các q trình nén máy nén bơm đẳng entropy Bảng Các điều kiện vận hành chu trình kết hợp Các điều kiện chung Nhiệt độ nước giải nhiệt vào, tc13, ta15, ta17, ta21: 30 oC Nhiệt độ nước giải nhiệt ra, tc14, ta16, ta18, ta22: 35 oC Chênh lệch nhiệt độ CHX: 10 K Chu trình CO2 Nhiệt độ CO2 bổ xung, tc12 =25 oC Áp suất tách S, pdry = 1,013 bar Nhiệt độ CO2 khỏi làm mát nước I, tc3=40 oC Dựa vào giả sử trên, điều kiện mô trình bày bảng PHÂN TÍCH NĂNG LƯỢNG Mỗi thiết bị chu trình kết hợp xem xét thể tích kiểm sốt với ngõ vào ngõ ra, tương tác công nhiệt Trong chu trình, bảo tồn khối lượng bao gồm khối lượng thành phần dung dịch Phương trình bảo tồn khối lượng thành phần hệ thống dòng ổn định trạng thái ổn định [5, 6]: Bảo toàn khối lượng: m m Chu trình hấp thụ i Áp suất bình ngưng, pcNH3 =15,5 bar Phân tích chu trình thơng qua mơ máy tính sử dụng phầm mềm EES (Engineering Equation Solver) [4] Q trình mơ dựa giả sử sau: Lưu lượng đá khô kg/s Trạng thái vào cấp nén thấp áp nhiệt Trạng thái vào cấp nén cao áp bão hòa Hơi khỏi bình ngưng hồi lưu ammonia tinh khiết Dung dịch khỏi bình phát sinh bình hấp thụ bão hòa điều kiện cân Tổn thất áp suất tổn thất nhiệt thiết bị bỏ qua Thế động bỏ qua phương trình 0 (1) o Bảo toàn thành phần: Nhiệt độ dung dịch đặc khỏi bình hấp thụ, ta7 = 38 oC Chênh lệch nhiệt độ nước dung dịch bình phát sinh: 10 K o i (mx) (mx) i i o 0 (2) o Trong m lưu lượng khối lượng, x thành phần khối lượng NH3 dung dịch, i o biểu thị chất làm việc ngõ vào ngõ thiết bị Định luật nhiệt động thứ dẫn đến phương trình cân lượng thiết bị chu trình kết hợp sau: (mh) (mh) i i o o Qi Qo W o i (3) Trong h biểu thị enthalpy chất làm việc trạng thái tương ứng Q W công suất nhiệt, công suất cấp vào thiết bị Hệ số làm lạnh chu trình hấp thụ, chu trình CO2, chu trình kết hợp định nghĩa phương trình (4)-(6) COPa QCHX W QG P 0, (4) Trang 63 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.19, No.K2 - 2016 COPc COPt hc12 hc11 WC1 WC hc12 hc11 W WC WP QG C1 0, (5) (6) hiệu suất nhà máy điện 0,4 giả sử [7] cấp bậc khác nhiệt (pcCO2) nhiệt độ dung dịch lỗng rời bình phát sinh (ta12) pcCO2 biểu thị nhiệt độ trung gian chu trình kết hợp ta12 biểu thị nhiệt độ nguồn nhiệt pcCO2 ta12 khảo sát phạm vi từ 25 đến 34 bar từ 110 đến 150 oC Vài vị trí mà dẫn đến nồng độ dung dịch đặc nhỏ dung dịch lỗng khơng thể xuất đồ thị kết Các phương trình cân lượng chu trình hấp thụ chu trình CO2 lần lược viết sau: QG QCHX WP QR QC QA (7) WC1 WC (hc12 hc11 ) QCHX QI (8) PHÂN TÍCH EXERGY Phương trình exergy thể tích kiểm sốt trạng thái ổn định sau [5]: I (m )i (m )o W i (9) o h h0 T0 ( s s0 ) diễn tả exergy Lấy nước áp suất khí (1 bar) nhiệt độ 25oC để tính enthalpy (h0) entropy (s0) tham chiếu Tổn thất exergy chu trình kết hợp tổng tổn thất exergy thiết bị viết sau: It I j (10) j Hiệu suất exergy chu trình kết hợp sau: Exo Exo c12 c11 (11) Exi Exo I t c12 c11 I t KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong chu trình kết hợp, thơng số thiết kế khác đơn vị kg/s CO2 trình bày hàm áp suất ngưng tụ CO2 Trang 64 Hình Cơng suất nhiệt theo pcCO2 ta12 Cơng suất nhiệt cần cấp cho chu trình hấp thụ công suất cần cấp cho chu trình kết hợp trình bày hình Công suất nhiệt giảm pcCO2 ta12 tăng mong đợi Công suất nhiệt tập trung khoảng 1600 đến 1900 kW Khi pcCO2 tăng, hệ số làm lạnh chu trình hấp thụ tăng tập trung khoảng 0,45 đến 0,55 hình Ở nhiệt độ ta12 cao hơn, tổng công suất hai máy nén bơm dung dịch tăng đơn điệu tăng mạnh pcCO2 tăng Mặt khác, nhiệt độ ta12 thấp hơn, tổng cơng suất có giá trị cực tiểu giá trị pcCO2 phạm vi thay đổi giảm Điều nồng độ dung dịch đặc tăng, tượng dẫn đến làm giảm lưu lượng khối lượng dung dịch đặc giảm cơng suất bơm dung dịch vượt q tăng công suất hai máy nén hình TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K2- 2016 trên, chu trình tiêu tốn công nén khoảng 400 kJ/kg đá khô Năng lượng thấp so với 720 kJ/kg đá khô dùng hệ thống lạnh ammonia ghép tầng truyền thống nghiên cứu cơng bố [5] Hình Tổng cơng suất theo pcCO2 ta12 Hình COP chu trình kết hợp theo pcCO2 ta12 Hình COP chu trình hấp thụ theo pcCO2 ta12 Hình Các đại lượng ta12 = 120oC theo pcCO2 Một kết luận quan trọng rút từ sau Giả sử chu trình hấp thụ cấp nhiệt hoàn toàn nhiệt thải từ nguồn đề cập Các xu hướng COP chu trình kết hợp (COPt) trình bày hình Ở nhiệt độ bình phát sinh cao ta12 = 150 oC, đường cong COPt có giá trị cực đại Tuy nhiên, nhiệt độ bình phát sinh 140 oC cho thấy xu hướng tăng COPt theo pcCO2 Hiện tượng diễn giải sau Từ phương trình (6), tử số (hc12 – hc11) số COPt phụ thuộc mẫu số gồm QG tổng công suất Ở ta12 thấp hơn, cơng suất bình phát sinh QG có giá trị lớn giảm đáng kể theo pcCO2 phạm vi từ 2000 kW đến 3600 kW trình bày hình 2, tổng cơng suất có giá trị lớn xu hướng tăng giảm, phạm vi từ 400 kW đến 480 kW trình bày hình Vì COPt cho thấy giá trị thấp xu hướng tăng nhanh pcCO2 tăng Mặt khác, ta12 cao hơn, cơng suất nhiệt bình phát sinh biến đổi phạm vi 1700 kW đến 2150 kW có giá trị nhỏ tốc độ giảm theo pcCO2 tương đối nhỏ Tổng công suất từ 365 kW đến 430 kW nhỏ có xu hướng tăng đơn điệu Vì COPt có giá trị cao xu hướng giảm nhẹ đạt cực đại ta12 = 150 oC Trang 65 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.19, No.K2 - 2016 Hình It theo pcCO2 ta12 Tính khơng thuận nghịch hiệu suất exergy chu trình kết hợp trình bày hình Các ứng xử chúng có phần tương tự COPt Có hai xu hướng ngược dẫn đến vài giá trị cực tiểu tính khơng thuận nghịch chu trình kết hợp tương ứng tới vài giá trị cực đại hiệu suất exergy Điều giải thích sau Thực chu trình CO2 khơng phụ thuộc ta12, có tính khơng thuận nghịch thiết bị chu trình hấp thụ thay đổi theo ta12 Ở giá trị ta12 cố định đó, tính khơng thuận nghịch chu trình CO2 tăng nhẹ tính khơng thuận nghịch chu trình hấp thụ giảm pcCO2 tăng, hình 10 Tuy nhiên, xu hướng giảm tính khơng thuận nghịch chu trình hấp thụ phụ thuộc ta12 dẫn đến cực tiểu tính khơng thuận nghịch chu trình kết hợp trường hợp ta12 140 oC (xem thêm hình 9) Ở ta12 thấp pcCO2 thấp, tính khơng thuận nghịch chu trình hấp thụ thay đổi đáng kể (xem hình 10) Điều giải thích sau Lưu lượng khối lượng dung dịch lớn chênh lệch nồng độ dung dịch đặc dung dịch lỗng nhỏ Do dẫn đến độ lớn tính khơng thuận nghịch lớn Vì vậy, tác giả đề nghị giảm ta12 tăng pcCO2 để tăng hiệu suất Trang 66 Hình Hiệu suất exergy theo pcCO2 ta12 Hình Sự khơng thuận nghịch ta12 = 140oC Để tìm thiết bị có tính khơng thuận nghịch lớn, hình 11 trình bày tính khơng thuận nghịch chu trình kết hợp thiết bị hai trường hợp Trường hợp thứ sử dụng thông số hiệu suất exergy lớn trường hợp lại dùng thông COPt lớn Kết hầu hết tính khơng thuận nghịch xảy chu trình hấp thụ Điều giải thích tổn thất hịa trộn dung dịch có nồng độ [6] Ở thấy tính khơng thuận nghịch bình hấp thụ (IA) có phần lớn Kết phù hợp với nghiên cứu công bố [2, 6, 8] TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K2- 2016 thuận nghịch Nhưng để giảm độ chênh nhiệt độ thấp có thể, phải đánh đổi diện tích truyền nhiệt tổn thất áp suất lớn Hình 10 Sự khơng thuận nghịch ta12 = 120oC Hình 12 Ảnh hưởng nhiệt độ ngõ đến IA KẾT LUẬN Hình 11 Tính khơng thuận nghịch Talbi Agnew [2] tổn thất exergy cao bình hấp thụ chênh lệch nhiệt độ bình hấp thụ mơi trường Do đó, nghiên cứu tác giả xem xét ảnh hưởng việc tăng nhiệt độ nước giải nhiệt khỏi thiết bị ta16 giảm nhiệt độ dung dịch đặc ta7 đến tính khơng thuận nghịch bình hấp thụ trình bày hình 12 Giảm ta7 giữ ta16 khơng đổi làm giảm tính khơng thuận nghịch bình hấp thụ (∆1) Xu hướng tương tự quan sát tăng ta16 giữ ta7 không đổi (∆2) Tuy nhiên, tăng ta16 dẫn đến giảm tính khơng thuận nghịch lớn giảm ta7 (∆2 > ∆1) chênh lệch nhiệt độ (ví dụ 1K) Điều kết luận giảm chênh lệch nhiệt độ hoạt động bình hấp thụ cải thiện tính khơng Do đặc điểm chu trình nhiều cấp, trình tối ưu thực biến trung gian áp dụng cho công suất nén, tổng công suất cơ, COP tổng, hiệu suất exergy Chu trình kết hợp sử dụng máy lạnh hấp thụ mang lại hiệu tiêu hao công suất nén nhỏ hệ thống lạnh ghép tầng ammonia truyền thống Áp suất ngưng tụ CO2 thấp nhiệt độ bình phát sinh thấp dẫn đến COP lẫn hiệu suất exergy thấp chênh lệch nồng độ ammonia dung dịch đặc dung dịch lỗng thấp Hầu hết tính khơng thuận nghịch chu trình kết hợp xảy chu trình hấp thụ, tính khơng thuận nghịch bình hấp thụ có phần lớn Sự tăng nhiệt độ nước giải nhiệt giảm nhiệt độ dung dịch cải thiện tính khơng thuận nghịch bình hấp thụ Tuy nhiên, kết tính tốn tăng nhiệt độ nước giải nhiệt tốt giảm nhiệt độ dung dịch Nghiên cứu tài trợ trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM khuôn khổ đề tài mã số T-CK-2015-01 Trang 67 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.19, No.K2 - 2016 Energy and exergy estimation for a combined cycle of solid CO2 production and NH3-H2O single effect absorption chiller Nguyen Minh Phu Ho Chi Minh city University of Technology, VNU-HCM ABSTRACT In order to reduce the compression power, to use an integrated thermal-driven cycle, and to mitigate the CO2 content in the air, a new combined cycle of absorption chiller and vaporcompression refrigeration cycle to produce carbon dioxide dry ice was devised and analyzed In this study, the energy and the exergy analyses of the combined cycle were presented The combined cycle simulation was carried out by using EES (Engineering Equation Solver) program The CO2 condensation pressure and the generator temperature were considered as key parameters Results show that the total compression and pumping power using the present combined cycle can be reduced remarkably, amounting to 44.4 %, in comparison with that in the conventional ammonia cooling system Most of the irreversibility occur in the absorption system and the irreversibility of the absorber has the largest portion The temperature reduction of the solution or increase in the cooling water temperature can improve the irreversibility of the absorber However, the latter decreases the irreversibility more than the former Keywords: Energy analysis, exergy analysis, absorption chiller, dry ice production TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lee, G S Performance enhancement by subcooling and optimum pressure in a dry ice production system with cascade cooling Proc 4th Russian-Korean International Symposium on Science and Technology, 3, 190-195 (2000) [2] Talbi, M M and Agnew, B Exergy analysis: an absorption refrigerator using lithium bromide and water as the working fluids Appl Thermal Eng., 20, 619–630 (2000) [3] Fernández-Seara, J., Sieres, J and Vázquez, M Distillation column configurations in Trang 68 ammonia-water absorption refrigeration systems International Journal of Refrigeration, 26, 28-34 (2003) [4] Klein, S A Engineering Equation Solver F-Chart Software (2003) [5] Lee, G S Design and exergy analysis for a combined cycle of liquid/solid CO2 production and gas turbine using LNG cold/hot energy Int J of Air-Conditioning and Refrigeration, 15, 34-45 (2007) [6] Sencan, A., Yakut, K A and Kalogirou, S A Exergy analysis of lithium bromide/water TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K2- 2016 absorption systems Renewable Energy, 30, 645-657 (2005) [7] Fernández-Seara, J., Sieres, J and Vázquez, M Compression-absorption cascade refrigeration system Appl Thermal Eng., 26, 502-512 (2006) [8] Best R., Islas, J and Martínez, M Exergy efficiency of an ammonia-water absorption system for ice production Appl Energy, 45, 241-256 (1993) Trang 69 ... chu trình máy lạnh hấp thụ ammonia-nước Sơ đồ chu trình ghép tầng nén hơi -hấp thụ đề cập trình bày hình Cấu thành gồm chu trình đá khơ CO2 tầng nhiệt độ thấp chu trình máy lạnh hấp thụ cấp tầng... enthalpy chất làm việc trạng thái tương ứng Q W công suất nhiệt, công suất cấp vào thiết bị Hệ số làm lạnh chu trình hấp thụ, chu trình CO2, chu trình kết hợp định nghĩa phương trình (4)-(6)... nghịch chu trình CO2 tăng nhẹ tính khơng thuận nghịch chu trình hấp thụ giảm pcCO2 tăng, hình 10 Tuy nhiên, xu hướng giảm tính khơng thuận nghịch chu trình hấp thụ phụ thuộc ta12 dẫn đến cực tiểu tính