Thiết kế bình ngưng của chiller công suất 1000 kW (Đại học Bách Khoa TP.HCM)

Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh - Đại học Bách Khoa TP.HCM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠNG NGHỆ NHIỆT LẠNH  Giáo viên hướng dẫn: TS Võ Kiến Quốc Sinh viên thực hiện: Nguyễn Anh Hào MSSV: 1913222 Lớp: CK19NH1 Tp.HCM, ngày 18 tháng 05 năm 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Số: …………/BKĐT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc - NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN KHOA: CƠ KHÍ BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN ANH HÀO LỚP: CK19NH1 MSSV: 1913222 Đầu đề đồ án: THIẾT KẾ BÌNH NGƯNG CỦA CHILLER CÔNG SUẤT 1000 kW Nhiệm vụ (yêu cầu nội dung số liệu ban đầu): Yêu cầu nội dung: Lựa chọn, tính toán, thiết kế bình ngưng giải nhiệt nước cho Chiller 1000 kW lắp đặt TP Hồ Chí Minh Số liệu ban đầu: Thơng số ngồi trời: tN = 35,4oC N = 70% Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 18/02/2022 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 18/05/2022 Họ tên người hướng dẫn: TS Võ Kiến Quốc Nội dung yêu cầu đồ án thông qua Bộ môn Ngày Tháng Năm 2022 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt:……………………………………………………………………… Ngày bảo vệ:……………………………………………………………………… Điểm tổng kết:……………………………………………………………………… TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa: CƠ KHÍ Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc -o0o - -o0o Ngày Tháng Năm PHIẾU CHẤM BẢO VỆ ĐỒ ÁN (Dành cho giáo viên hướng dẫn) Họ tên SV: Nguyễn Anh Hào MSSV: 1913222 Ngành (chuyên ngành): Kỹ Thuật Nhiệt Lạnh Đề tài: “Thiế t kế bình ngưng Chiller cơng suất 1000 kW” Họ tên giáo viên hướng dẫn: TS Võ Kiến Quốc Tổng quát bản thuyế t minh: Số trang: 42 Số chương: Số tài liệu tham khảo: Số hình vẽ: 14 Nhận xét giáo viên hướng dẫn: Đề nghi:̣ Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không bảo vệ Đánh giá chung (bằng chữ Giỏi, Khá, TB)……… Điểm …… /10 Ký tên (ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Khoa: CƠ KHÍ -o0o - CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc -o0o Tháng Ngày Năm PHIẾU CHẤM BẢO VỆ ĐỒ ÁN (Dành cho giáo viên phản biện) Họ tên SV: Nguyễn Anh Hào MSSV: 1913222 Ngành (chuyên ngành): Kỹ Thuật Nhiệt Lạnh Đề tài: “Thiế t kế bình ngưng Chiller cơng suất 1000 kW” Họ tên giáo viên hướng dẫn: TS Võ Kiến Quốc Tổng quát bản thuyế t minh: Số trang: 42 Số chương: Số tài liệu tham khảo: Số hình vẽ: 14 Nhận xét giáo viên phản biện: Đề nghi:̣ Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không bảo vệ Đánh giá chung (bằng chữ giỏi, khá, TB)……… Điểm …… /10 Ký tên (ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Sau ba năm học giảng đường đại học giúp sinh viên có kiế n thức bản làm tảng cho chuyên ngành, học kỳ làm đồ án khoảng thời gian quý báu để sinh viên tổng hợp, đúc kết lại tất kiến thức học thời gian qua để vận dụng cho đề tài Em xin chân thành cảm ơn thầy Võ Kiến Quốc, suốt q trình hướng dẫn ln tận tình giúp đỡ, giải đáp thắc mắc em cách cụ thể tạo điều kiện tốt để em hồn thành đồ án Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đế n tất cả thầy cô môn Công nghệ Nhiệt Lạnh tận tình dạy bảo, truyền đạt kiế n thức cho em suốt thời gian qua Cuối cùng, dù cố gắng hoàn thành đồ án tốt khả với vốn kiế n thức có hạn chưa tiế p xúc nhiều với thực tế nên đồ án chắn nhiều thiế u sót Vì vậy, em mong muốn nhận góp ý từ Q thầy/cơ mơn để đồ án em tốt Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn tất Quý thầy/cô giúp đỡ để em thực đồ án Sinh viên, Nguyễn Anh Hào i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH iv DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU v CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÌNH NGƯNG TRONG CHILLER 1.1 Sơ lược hệ thống điều hòa trung tâm Chiller 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Đặc điểm 1.1.3 Ưu điểm 1.1.4 Nhược điểm 1.2 Đặc điểm chung bình ngưng 1.3 Phân loại bình ngưng 1.3.1 Bình ngưng ống nước có thân nằm ngang 1.3.2 Bình ngưng ống nước có thân đứng thẳng 1.3.3 Bình ngưng panen 1.3.4 Bình ngưng 1.3.5 Bình ngưng xối tưới 1.4 Kết luận 10 CHƯƠNG 2: CHỌN THÔNG SỐ THIẾT KẾ 11 2.1 Phân tích lựa chọn mơi chất lạnh 11 2.1.1 Môi chất lạnh R134a 11 2.1.2 Môi chất lạnh R410a 12 2.1.3 Môi chất lạnh R32 13 2.2 Phân tích lựa chọn chu trình lạnh 14 2.2.1 Chu trình lạnh cấp 14 2.2.2 Chu trình lạnh có q nhiệt, q lạnh 15 2.3 Lựa chọn nhiệt độ cho thiết kế 16 2.3.1 Nhiệt độ bay 16 ii 2.3.2 Nhiệt độ nước vào nước bình ngưng 17 2.3.3 Nhiệt độ ngưng tụ 18 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CHU TRÌNH LẠNH 19 VÀ TÍNH TỐN NHIỆT CHO BÌNH NGƯNG 19 3.1 Tính tốn chu trình lạnh 19 3.2 Tính tốn nhiệt cho bình ngưng 20 3.2.1 Chọn kích thước đường ống thiết bị 20 3.2.2 Tính tốn mật độ dịng nhiệt phía nước 21 3.2.3 Tính tốn mật độ dịng nhiệt phía tác nhân lạnh (bên ngồi đường ống) 23 3.2.4 Tính tốn hệ số truyền nhiệt thiết bị 25 3.2.5 Tính tốn chiều dài thiết bị 25 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THUỶ LỰC BÌNH NGƯNG 27 4.1 Tổn thất áp suất cục 27 4.2 Tổn thất áp suất ma sát 27 4.3 Tổn thất áp suất tĩnh 27 4.4 Tổng tổn thất áp suất 27 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN KIỂM TRA BỀN BÌNH NGƯNG 28 5.1 Tính tốn bề dày thân bình 28 5.2 Tính tốn bề dày mặt sàng 29 5.3 Tính tốn sức bền cho nắp 30 CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN KÍCH THƯỚC VÀ BẢN VẼ BÌNH NGƯNG 31 CHƯƠNG 7: SỬ DỤNG PHẦN MỀM HTRI EXCHANGER SUIT ĐỂ TÍNH TỐN THIẾT KẾ BÌNH NGƯNG 33 TÀI LIỆU KHAM KHẢO 42 iii DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống Water chiller giải nhiệt nước Hình 1.2 Hình ảnh bình ngưng vỏ bọc chùm ống nằm ngang Hình 1.3 Hình ảnh bình ngưng vỏ bọc chùm ống đứng thẳng Hình 1.4 Hình ảnh bình ngưng panen Hình 1.5 Sơ đồ khơng gian bình ngưng Hình 1.6 Hình ảnh bình ngưng xối tưới Hình 2.1 Đồ thị T-s logp-i chu trình lạnh Hình 2.2 Đồ thị T-s logp-i chu trình lạnh có q nhiệt lạnh Hình 2.3 Sơ đồ bình ngưng giải nhiệt nước Hình 3.1 Giao diện phần mềm EES tính thơng số trạng thái Hình 3.2 Hình dạng ống cánh Hình 3.3 Giao diện phần mềm EES tính thơng số nước Hình 3.4 Giao diện phần mềm EES tính thơng số mơi chất lạnh Hình 7.1: Phần mềm HTRI iv DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Ưu điểm nhược điểm môi chất lạnh R134a Bảng 2.2 Ưu điểm nhược điểm môi chất lạnh R410a Bảng 2.3 Ưu điểm nhược điểm môi chất lạnh R32 Bảng 2.4 Đánh giá đặc tính loại mơi chất lạnh Bảng 2.5 Ưu điểm nhược điểm chu trình lạnh cấp Bảng 2.6 Ưu điểm nhược điểm chu trình cấp có q nhiệt q lạnh Bảng 2.7 Thông tin thông số thiết bị Bảng 3.1 Bảng thông số trạng thái chu trình Bảng 3.2 Bảng tóm tắt thơng số bình ngưng Bảng 5.1 Thông số bề dày vị trí bình ngưng Bảng 6.1 Bảng thơng số kích thước bình ngưng v Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 GVHD: Võ Kiến Quốc CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÌNH NGƯNG TRONG CHILLER 1.1 Sơ lược hệ thống điều hịa trung tâm Chiller Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống Water chiller giải nhiệt nước 1.1.1 Giới thiệu Hệ thống điều hòa Chiller hệ thống sử dụng máy Chiller để làm lạnh nước, dùng nước làm chất tải lạnh phân phối nước để làm mát khơng gian cần điều hịa Máy Chiller cụm gồm thiết bị chu trình nhiệt máy nén, van tiết lưu, thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay phụ kiện khác Trên thực tế nguyên cụm không tách rời 1.1.2 Đặc điểm Trong hệ thống điều hịa khơng khí trung tâm Water Chiller, thành phần bao gồm: - Cụm trung tâm Water Chiller: sản xuất nước lạnh cho hệ thống Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 GVHD: Võ Kiến Quốc CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN KIỂM TRA BỀN BÌNH NGƯNG Trong hệ thống điều hịa khơng khí nói chung, thiết bị ngưng tụ thiết bị làm việc điều kiện chịu áp lực cao Để đảm bảo an toàn cho thiết bị vận hành phải tiến hành tính tốn kiểm tra bền Cụ thể đồ án ta tính tốn kiểm tra bền cho bình ngưng Từ điều kiện bền ta chọn chiều dày cho thiết bị thích hợp, nhằm đảm bảo yêu cầu kinh tế kỹ thuật 5.1 Tính tốn bề dày thân bình Với bình ngưng dạng hình trụ, chịu áp lực – Bề dày thân bình trụ phải thỏa mãn điều kiện sau: S≥ 𝑃𝑅 𝐷𝑡𝑟 2.[𝜎].𝜑𝑑 −𝑃𝑅 +C Trong đó: - PR ( MPa) : Áp suất tính tốn thiết bị Theo bảng 10.1 trang 360 Tài liệu [1], để đảm bảo độ an toàn ta chọn PR = 16 bar = 1,6 MPa - [𝜎] (𝑀𝑃𝑎) : Ứng suất cho phép kim loại dùng để chế tạo thân bình ngưng Theo bảng 10.2 trang 361 Tài liệu [1], chọn vật liệu chế tạo thân bình ngưng thép CCT38, với nhiệt độ tính tốn vách t = 100 ℃ Ta có: [𝜎] = 134 (𝑀𝑃𝑎) - Dtr (mm) : Đường kính thân bình ngưng Ta có: Dtr = 670 (mm) -  d : Hệ số bền mối hàn dọc d  0,9 theo bảng 10.3 trang 364 Tài liệu [1] - Phần bề dày bổ sung để bù ăn mòn tiếp xúc với chất độc hại (theo trang 364 Tài liệu [1], thiết bị trao đổi nhiệt máy lạnh) C1 = mm - Phần bề dày bổ sung để bù dung sai âm bề dày (theo trang 364 Tài liệu [1], giả sử bề dày thân bình S ≤ 20 mm) C2 = mm 28 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 - GVHD: Võ Kiến Quốc Tổng bề dày bổ sung : C = C1 + C2 = + = mm - Từ đó, ta có: S≥ 1,6.670 2.134.0,9−1,6 + = 6,47 (mm) Chọn bề dày S = (mm) Vậy bề dày thân bình hình trụ tính toán thỏa mãn điều kiện cho 5.2 Tính tốn bề dày mặt sàng Các mặt sàng hàn chặt vào thân hình trụ bình ngưng Các ống núc vào mặt sàng hàn, bề dày mặt sàng phải đảm bảo núc ống vào phải thỏa mãn điều kiện sau: Sms ≥ 0,5.DE.√ |𝑃0 −𝑃𝑅 | [ 𝜎] +C Trong đó: - DE (mm): Đường kính vịng trịn chứa diện tích khơng có ống lớn mặt sàng DE = 70 (mm) - P0 , PR ( MPa) : Áp suất tính tốn bên ống bên ống Ta chọn P0 = 0,1 (MPa), PR = 1,6 (MPa) -   (MPa) : Ứng suất cho phép vật liệu làm mặt sàng Theo bảng 10.2 trang 361 Tài liệu [1] ta chọn vật liệu chế tạo thân bình ngưng thép CCT38 Với nhiệt độ tính tốn vách t = 100 ℃ ta có [𝜎] = 134 (𝑀𝑃𝑎) - C ( mm) : Chiều dày bổ sung: C  C1  C2  2mm - Vậy Sms ≥ 0,5.70.√ |0,1−1,6| 134 + = 5,7 (mm) Chọn Sms = (mm) 29 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 GVHD: Võ Kiến Quốc 5.3 Tính tốn sức bền cho nắp Bề dày nắp trịn xác định theo cơng thức: Sn ≥ 0,58.𝑃𝑅 𝑅 𝜑.[𝜎] +C Trong đó: - R ( mm) : Bán kính đáy R = Dtr = 670 (mm) -  : Hệ số bền mối hàn dọc   0,9 -   (MPa) : Ứng suất cho phép kim loại chế tạo nắp [𝜎] = 134 (𝑀𝑃𝑎) - PR (bar) : Áp suất tính tốn thiết bị PR = 16 bar = 1,6 MPa - Vậy Sn ≥ 0,58.1,6.670 0,9.134 + = 7,16 (mm) Chọn Sn = (mm) Bảng 5.1 Thơng số bề dày vị trí bình ngưng Bề dày vị trí Giá trị Bề dày thân bình (mm) Bề dày mặt sàng (mm) Bề dày nắp (mm) 30 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 GVHD: Võ Kiến Quốc CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN KÍCH THƯỚC VÀ BẢN VẼ BÌNH NGƯNG Trong thiết kế thực tế, diện tích bình ngưng thay đổi so với tính tốn ban đầu Do khoảng cách để bố trí vách ngăn pass nước nên đường kính mặt sàng đường kính bình ngưng tăng lên Vì ta chọn đường kính mặt sàng đường kính bình ngưng sau: - Đường kính mặt sàng là: D = 650 + 40 = 690 (mm) = 0,69 (m) - Đường kính bình ngưng là: Dtr = 670 + 40 = 710 (mm) = 0,71 (m) - Bề dày thành bình ngưng: 𝛿 = (mm) - Đường kính ngồi bình ngưng: Dng = Dtr + 2.𝛿.10-3 = 0,71 + 2.8.10-3 = 0,726 (m) = 726 (mm) - Chiều dài ống: L = 4,36 (m) - Số lượng chắn hướng dòng Bề dày thường  3mm Chọn bề dày 4mm - Nắp gắn chặt với mặt bích 16 bu lơng M16 - Đường kính cửa dẫn nước giải nhiệt vào ra: Dn = √ - 4.𝑉𝑛 𝜋.𝜔 =√ 4.0,047 𝜋.2 = 0,174 (m) = 174 (mm) Lưu lượng thể tích mơi chất lạnh cửa vào bình ngưng: Vf = 𝐺 𝜌𝑓 = 7,1 51,51 = 0,137 (m3/s) 𝜌𝑓 trường hợp khối lượng riêng môi chất lạnh R134a trạng thái - Chọn tốc độ môi chất lạnh cửa vào bình ngưng  f vao  12(m / s) - Đường kính cửa mơi chất lạnh vào: 31 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 Df,vào = √ - 4.𝑉𝑓,𝑣à𝑜 𝜔𝑓,𝑣à𝑜 𝜋 GVHD: Võ Kiến Quốc =√ 4.0,137 = 0,12 (m) = 120 (mm) 12.𝜋 Lưu lượng thể tích mơi chất lạnh cửa bình ngưng: Vf = 𝐺 𝜌𝑓 = 7,1 1491 = 0,0048 (m3/s) 𝜌𝑓 trường hợp khối lượng riêng môi chất lạnh R134a trạng thái lỏng - Chọn tốc độ môi chất lạnh cửa bình ngưng 𝜔𝑓,𝑟𝑎 = (m/s) - Đường kính cửa mơi chất lạnh ra: Df,ra = √ 4.𝑉𝑓,𝑟𝑎 𝜔𝑓,𝑟𝑎 𝜋 =√ 4.0,0048 = 0,056 (m) = 56 (mm) 2.𝜋 Bảng 6.1 Bảng thông số kích thước bình ngưng STT Thơng số Giá trị Đường kính mặt sàng 0,69 (m) Đường kính 0,71 (m) Đường kính ngồi 0,726 (m) Tổng số ống 560 (ống) Chiều dài ống 4,36 (m) Bu long mặt bích M16 Số hướng dịng Đường kính mơi chất lạnh vào 120 (mm) Đường kính mơi chất lạnh 56 (mm) 10 Đường kính nước vào 174 (mm) 32 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 GVHD: Võ Kiến Quốc CHƯƠNG 7: SỬ DỤNG PHẦN MỀM HTRI EXCHANGER SUIT ĐỂ TÍNH TỐN THIẾT KẾ BÌNH NGƯNG Hình 7.1: Phần mềm HTRI Phần mềm HTRI Exchanger Suit phần mềm thiết kế mơ q trình truyền nhiệt, loại thiết bị truyền nhiệt Để sử dụng phần mềm HTRI Exchanger Suit cho việc tính tốn thiết kế bình ngưng Chiller, ta thực bước sau: - Khởi động HTRI, sau chọn “New Shell and Tube Exchanger” (Xist): 33 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 GVHD: Võ Kiến Quốc - Sau giao diện lên, ta bắt đầu nhập thông số vào “Input Summary” - Vào “Process” để thiết lập thông số môi chất lạnh nước giải nhiệt: 34 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 GVHD: Võ Kiến Quốc - Vào “Hot fluid properties” để lựa chọn gas lạnh R134a chọn “Program calculated” để phần mềm tự tính - Vào “Cold Fluid Properties” để lựa chọn chất giải nhiệt nước chọn “Program calculated” để phần mềm tự tính 35 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 - GVHD: Võ Kiến Quốc Vào phần “Geometry” để điền thơng số vỏ bình ngưng ống dẫn nước - Vào “Low Fin” để nhập thông số cánh: 36 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 GVHD: Võ Kiến Quốc - Vào “Nozzle” để điền kích thước cửa vào nước mơi chất lạnh: - Vào “Nozzle Location” để điều chỉnh vị trí cửa vào ra: 37 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 GVHD: Võ Kiến Quốc - Vào “Tube layout” để chọn vị trí pass nước - Sau thiết lập tất thông số, ta chọn “Run Case” công cụ để chạy kết 38 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 GVHD: Võ Kiến Quốc 39 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 - GVHD: Võ Kiến Quốc Hình ảnh 2D bình ngưng phần mềm xuất 40 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 - GVHD: Võ Kiến Quốc Hình ảnh 3D bình ngưng phần mềm xuất  Kết tính từ phần mềm HTRI Exchanger Suit 7.3.2 tương đối xác so với cách tính tốn lý thuyết, nhiên nhìn chung có chênh lệch số ống cách bố trí ống mặt sàng (606 ống 560 ống) 41 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 GVHD: Võ Kiến Quốc TÀI LIỆU KHAM KHẢO [1] Trần Thanh Kỳ - Máy lạnh NXB Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh (2012) [2] Hồng Đình Tín - Cơ sở truyền nhiệt thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt NXB Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh (2013) [3] Đinh Văn Thuận, Võ Chí Chính – Hệ thống máy thiết bị lạnh NXB Khoa Học Kỹ Thuật (2006) 42