LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ NGHIỆT NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG DÙNG CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ LẠNH DẠNG BĂNG TAN CHẢY BÊN NGOÀI ỐNG TRONG CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ TRUNG TÂM

Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- TRƯƠNG HỒNG ANH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG DÙNG CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ LẠNH DẠNG BĂNG TAN CHẢY BÊN NGOÀI ỐNG TRONG CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ TRUNG

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

TRƯƠNG HỒNG ANH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG DÙNG CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ LẠNH DẠNG BĂNG TAN CHẢY BÊN NGOÀI ỐNG TRONG CÁC HỆ THỐNG

ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ TRUNG TÂM

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ NHIỆT

MÃ SỐ: 60.52.80

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2006

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn:

- Thầy hướng dẫn, TS.Nguyễn Thế Bảo đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện tốt nhất giúp tác giả hoàn thành luận văn

- Thầy chủ nhiệm ngành Công Nghệ Nhiệt, PGS.TS Lê Chí Hiệp cùng các thầy cô của trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật đã tham gia giảng dạy và hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình học tập

- Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng, Trường Trung học Kỹ thuật nghiệp vụ Nguyễn Tất Thành, Công Ty Cơ Nhiệt Điện Lạnh Bách Khoa đã tạo điều kiện cho tác giả thực hiện các thí nghiệm, cung cấp số liệu để luận văn được hoàn thành

- Các thầy cô Phòng Đào Tạo SĐH đã giúp đỡ về vấn đề thủ tục

- Những người thân, đồng nghiệp và học viên lớp Cao Học Công Nghệ Nhiệt K14 đã động viên và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Học viên cao học

Trương Hồng Anh

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này đã trình bày tổng quát các phương pháp tích trữ lạnh khác nhau hiện nay đang được sử dụng Qua đó phân tích đáng giá và lựa chọn phương pháp tích trữ lạnh ứng dụng cho hệ thống điều hòa không khí phù hợp với điều kiện kinh tế và công nghệ hiện nay tại Việt Nam Từ đó đã lựa chọn được phương án tối ưu là tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống Ngoài

ra các thí nghiệm được thực hiện nhằm đo đạc bề dày lớp băng hình thành trên bề mặt ống trong quá trình tích trữ theo thời gian, sau đó tiến hành so sánh với kết quả mô phỏng trên máy tính và đưa ra các nhận xét

Luận văn đã đưa ra các phương pháp tính toán chế tạo thiết bị tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống, viết chương trình tính toán sơ bộ hệ thống bằng phần mềm Microsoft Access, so sánh kinh tế khi sử dụng bồn tích trữ băng với các hệ thống truyền thống

Các vấn đề được nêu ra trong luận văn có thể làm cơ sở tính toán chế tạo thiết bị tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống trong điều kiện công nghệ Việt Nam, qua đó từng bước ứng dụng công nghệ tích trữ băng vào các hệ thống lạnh tại nước ta nhằm giảm chi phí năng lượng

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: 1

1.1 Yêu cầu của đề tài 1

1.2 Nội dung nghiên cứu 2

1.3 Giới hạn của đề tài 3

1.4 Phương pháp nghiên cứu 3

1.5 Ýnghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 4

CHƯƠNG 2:TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ LẠNH 5

2.1 Tình hình sử dụng công nghệ tích trữ lạnh trên thế giới 5

2.2 Nguyên lý chung của công nghệ tích trữ lạnh 6

2.3 Các phương pháp tích trữ lạnh 7

2.3.1 Tích trữ toàn phần 7

2.3.2 Tích trữ một phần 8

2.4 Các sơ đồ tích trữ lạnh 10

2.4.1 Tích trữ lạnh dùng nước lạnh 10

2.4.2 Tích trữ lạnh dùng băng 13

2.4.2.1 Tích trữ dùng băng dạng tĩnh (Ice-on-coil) 13

2.4.2.2 Tích trữ băng dạng động (Ice havester) 21

2.4.2.3 Tích trữ băng dạng bột băng (Ice slurry) 24

2.4.2.4 Tích trữ băng dạng nổi (Encapsulated ice) 26

2.4.3 Tích trữ lạnh dùng muối Eutectic 28

CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ ỨNG DỤNG CHO ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ 31

3.1 Đánh giá và lựa chọn sơ đồ phù hợp cho điều hoà không khí trong điều kiện Việt Nam .31

3.2 Tính toán thiết kế bồn tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống 34

3.2.1 Xác định dung lượng bồn tích trữ lạnh và hệ số tỏa nhiệt chất tải lạnh chảy trong ống 34

3.2.2 Xác định bề dày lớp băng 35

3.2.3 Tính toán thủy động trong dàn ống: 36

3.3 Tính toán tích trữ băng ứng dụng cho hệ thống điều hòa không khí 37

3.3.1 Dung lượng của bồn tích trữ theo thời gian 37

3.3.2 Chi phí sơ bộ đầu tư cho hệ thống 38

3.3.2.1 Đối với hệ thống truyền thống 38

3.3.2.2 Đối với hệ thống có dùng bồn tích trữ lạnh 39

3.3.3 Chi phí vận hành hàng năm 39

3.3.3.1 Đối với hệ thống truyền thống 39

3.3.3.2 Đối với hệ thống có dùng bồn tích trữ lạnh 40

3.3.4 Đánh giá kinh tế 41

3.3.4.1 Gia tăng phí đầu tư ban đầu do sử dụng bồn tích trữ lạnh 41

3.3.4.2 Gia tăng phí đầu tư ban đầu do sử dụng bồn tích trữ lạnh 41

3.3.4.3 Thời gian thu hồi vốn khi sử dụng bồn tích trữ lạnh 41

3.4 Phần mềm tính toán kinh tế kỹ thuật 42

3.4.1 Sơ đồ khối của chương trình 42

3.4.2 Các giao diện của chương trình 45

CHƯƠNG 4:THÍ NGHIỆM TÍCH TRỮ LẠNH DẠNG BĂNG TAN CHẢY BÊN NGOÀI ỐNG 51

4.1 Xây dựng mô hình thí nghiệm bồn tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống .51

4.1.1 Giới thiệu hệ thống thực nghiệm 51

4.1.2 Đo đạc và ghi nhận các kết quả thí nghiệm 57

4.2 Kết quả thực nghiệm 58

4.2.1 Bề dày lớp băng hình thành trên bề mặt ống theo thời gian 58

4.2.2 Quá trình thay đổi nhiệt độ của nước và chất tải lạnh 60

4.3 Kết quả mô phỏng trên máy tính 62

4.4 Nhận xét 64

4.1.1 So sánh quá trình tạo băng lý thuyết và thực tế 64

4.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành băng trên ống 67

4.1.2.1 Đường kính ống dàn lạnh 67

4.1.2.2 Nhiệt độ glycol trong dàn lạnh 68

CHƯƠNG 5:ĐÁNH GIÁ TÍNH KINH TẾ - KỸ THUẬT TRONG VIỆC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ LẠNH DẠNG BĂNG TAN CHẢY BÊN NGOÀI ỐNG CHO ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ 70

5.1 Tính toán chế tạo bồn tích lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên Ngoài Ống 70

5.2 Tính toán kinh tế kỹ thuật 73

5.2.1 Tính toán theo phương án 1 73

5.2.1.1Cho hệ thống không có tích trữ lạnh 73

5.2.1.2 Cho hệ thống có tích trữ lạnh 75

5.2.2 Tính toán theo phương án 2 79

PHẦN KẾT LUẬN 88

PHỤ LỤC .91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

CÁC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 2.1 Tóm tắt đặc tính của các sơ đồ tích trữ 7

Bảng 3.1 So sánh đặc tính các sơ đồ tích trữ 32

Bảng 3.2 So sánh đặc tính của các sơ đồ tích trữ băng 33

Bảng 4.1 Kết quả đo đạc bề dày băng qua từ thực nghiệm 59

Bảng 5.1 Tính toán giá thành chế tạo bồn tích trữ lạnh 72

Bảng 5.2 Chi phí đầu tư cho hệ thống ĐHKK không có tích trữ lạnh 73

Bảng 5.3 Chi phí vận hành cho hệ thống ĐHKK không có tích trữ lạnh 74

Bảng 5.4 Chi phí đầu tư cho hệ thống ĐHKK có tích trữ lạnh 75

Bảng 5.5 Chi phí vận cho hệ thống ĐHKK có tích trữ lạnh 76

Bảng 5.6 Tính toán kinh tế cho hệ thống ĐHKK dùng bồn tích trữ lạnh dung lượng tích trữ 4000kWh, nhập từ nước ngoài 78

Bảng 5.7 Tính toán kinh tế cho hệ thống ĐHKK dùng bồn tích trữ lạnh dung lượng tích trữ 4000kWh, chế tạo trong nước 79

Bảng 5.8 Tính toán kinh tế cho hệ thống ĐHKK dùng bồn tích trữ lạnh dung lượng tích trữ 6000kWh, nhập từ nước ngoài 81

Bảng 5.9 Tính toán kinh tế cho hệ thống ĐHKK dùng bồn tích trữ lạnh dung lượng tích trữ 6000kWh, chế tạo trong nước 82

Bảng 5.10 Tính toán kinh tế cho hệ thống ĐHKK dùng bồn tích trữ lạnh dung lượng tích trữ 8500kWh, nhập từ nước ngoài 84

Bảng 5.11 Tính toán kinh tế cho hệ thống ĐHKK dùng bồn tích trữ lạnh dung lượng tích trữ 8500kWh, chế tạo trong nước 85

CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Sơ đồ vận hành tích trữ toàn phần 8

Hình 2.2 Sơ đồ vận hành tích trữ một phần kiểu san bằng tải .9

Hình 2.3 Sơ đồ vận hành tích trữ một phần kiểu giới hạn tải yêu cầu .10

Hình 2.4 Sự phân tầng nước lạnh trong bồn tích trữ nước lạnh 11

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ lạnh dùng nước .12

Hình 2.6 Băng tích trữ tan chảy bên ngoài ống 13

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ băng tan chảy bên ngoài ống làm lạnh trực tiếp bằng tác nhân lạnh 15

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ băng tan chảy bên ngoài ống làm lạnh gián tiếp bằng chất tải lạnh 17

Hình 2.9 Băng tích trữ tan chảy bên trong ống 18

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ băng tan chảy bên trong ống, làm lạnh gián tiếp bằng chất tải lạnh 20

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ băng dạng động 23

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ băng dạng bột băng 25

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ băng dạng nổi 27

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ băng dạng nổi 29

Hình 3.1 Sơ đồ khối của chương trình tính toán 44

Hình 3.2 Giao diện chính của chương trình 45

Hình 3.3 Giao diện nhập thông số đầu vào 46

Hình 3.4 Giao diện kết quả tính toán 47

Hình 3.5 Giao diện các thông số bồn tích trữ lạnh 48

Hình 3.6 Giao diện đồ thị mô phỏng quá trình tạo băng trên ống 49

Hình 3.7 Giao diện tính toán kinh tế kỹ thuật 50

Hình 4.1 Mô hình thực nghiệm 51

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thực nghiệm 52

Hình 4.3 Cụm máy nén 53

Hình 4.4 Dàn ống trao đổi nhiệt 54

Hình 4.5 Bồn tích trữ lạnh dạng băng tan chảy trong ống 55

Hình 4.6 Nhiệt kế điện tử 56

Hình 4.7 Thước kẹp 56

Hình 4.8 Mô hình thực nghiệm đang được vận hành 57

Hình 4.9 Lớp băng hình thành trên ống 58

Hình 4.10 Quá trình tạo băng trên ống theo thời gian 60

Hình 4.12 Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình nạp tải 61

Hình 4.13 Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình xả tải 62

Hình 4.14 Quá trình tạo băng trên ống mô phỏng trên máy tính 64

Hình 4.16 So sánh hai quá trình tạo băng thực tế và lý thuyết 66

Hình 4.17 So sánh hai quá trình tạo băng thực tế và lý thuyết 67

khi bỏ qua quá trình làm lạnh nước ban đầu 67

Hình 4.18 Aûnh hưởng của việc thay đổi đường kính ống dàn lạnh đến sự hình

thành băng trên ống 68

Hình 4.18 Aûnh hưởng của nhiệt độ glycol trong dàn lạnh đến sự hình thành băng trên ống 69

Hình 5.1 Tương quan giữa số giờ tích trữ và thời gian thu hồi vốn bồn tích trữ có dung lượng 6000kWh 83

Hình 5.2 Tương quan giữa số giờ tích trữ và thời gian thu hồi vốn bồn tích trữ có dung lượng 8500kWh 86

CÁC KÝ HIỆU CHÍNH ĐƯỢC SỬ DỤNG

f : hệ số ma sát của đoạn ống có đường kính d

N : Công suất bơm chất tải lạnh, kW

đồng/kW

lạnh, triệu đồng

IS1 : Tổng tiền đầu tư cho tổ máy lạnh trong hệ thống có tích trữ băng,

triệu đồng

trữ lạnh, triệu đồng

QS : Năng suất lạnh cực đại của tổ máy lạnh, kW

triệu đồng

tích trữ lạnh, triệu đồng

đồng

triệu đồng

thống khi sử dụng bồn tích trữ lạnh, triệu đồng

sử dụng bồn tích trữ lạnh, triệu đồng

Δt : Độ chênh lệch nhiệt độ của chất tải lạnh vào và ra bồn tích trữ

λ : Hệ số dẫn nhiệt chất tải lạnh, W/m.độ

λd : Hệ số dẫn nhiệt của lớp băng, W/m.độ

ω : Tốc độ chảy của glycol trong chùm ống, m/s

TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

65 Huỳnh Thúc Kháng, phường Bến Nghé, quận 1, thành phố Hồ Chí Minh

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

-Từ tháng 10/1993 → 07/1998 : Học đại học tại trường Đại Học Kỹ Thuật Đà Nẵng (ĐHBK Đà Nẵng)

- Từ tháng 09/2003 → 08/2005 : Học cao học tại trường Đại Học Bách Khoa tp.Hồ Chí Minh

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC:

-Từ 10/1998 → 07/2000: Làm việc tại công ty CARRIER Việt Nam, chi nhánh Đà Nẵng

-Từ 08/2000 → nay : Làm công tác giảng dạy tại trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng, 65 Huỳnh Thúc Kháng, phường Bến Nghé, quận 1, tp.Hồ Chí Minh

LỜI MỞ ĐẦU

Trên thế giới hiện nay vấn đề năng lượng luôn là vấn đề nóng bỏng và là mối quan tâm hàng đầu của nhiều nước Nguồn năng lượng hiện nay chúng ta đang sử dụng hầu hết là năng lượng hóa thạch, mà đây không phải là nguồn năng lượng vô tận, theo thống kê của IEA, trữ lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ còn đủ sử dụng trong vòng 30 năm tới Vì vậy việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả thời gian gần đây đã được nhắc đến rất nhiều

Trong một vài năm gần đây, sự phát triển mạnh về kinh tế ở nước ta đã kéo theo sự gia tăng đáng kể về nhu cầu sử dụng điện Theo Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam EVN, các nhà máy điện của EVN chỉ đáp ứng khoảng 42% tổng nhu cầu về điện trong cả nước Vì vậy, nước ta không tránh khỏi áp lực về sự thiếu hụt điện trầm trọng trong mùa khô và đặc biệt vào các giờ cao điểm Để khắc phục tình trạng này, chính phủ một mặt tăng cường đầu tư mạnh cho ngành điện: năm 2004 xây dựng 14 nhà máy với số vốn 22.000 tỷ đồng, năm 2005 khởi công 10 dự án với số tiền lên đến 25.000 tỷ đồng Mặt khác, đã ban hành nghị định 102/2003/NĐ-CP về việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả Ngoài

ra, ngành điện cũng tiến hành tính “điện 3 giá” nhằm giảm tải cho lưới điện vào giờ cao điểm:

Mới đây, EVN đã trình chính phủ đề án tăng giá điện lên khoảng 14,8% và kéo dài giờ cao điểm lên 7 giờ so với 4 giờ trước đây

Nước ta là một nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa, đặc biệt khu vực Nam bộ nóng ẩm quanh năm nên nhu cầu sử dụng điều hoà không khí từ lâu đã rất cần thiết Vài năm trở lại đây, khi kinh tế phát triển mạnh kéo theo hàng loạt các cao ốc văn phòng, khách sạn, siêu thị, xưởng sản xuất… mọc lên thì nhu cầu sử dụng điều hoà không khí là không thể thiếu được Mà hệ thống điều hoà không khí là một trong những phụ tải rất lớn đối với lưới điện, theo thống kê trong một cao ốc văn phòng hay một khách sạn thì lượng điện cấp cho hệ thống điều hoà không khí chiếm từ 45 đến 55% tổng lượng điện tiêu thụ Mặc khác, các hệ thống điều hoà không khí luôn luôn được thiết kế lớn hơn tải đỉnh của nó và số giờ để hệ thống làm việc ở phụ tải đỉnh trong ngày là rất ít, nên xét về hiệu quả kinh tế là chưa cao

Để giảm phụ tải điện vào giờ cao điểm và nâng cao hiệu quả kinh tế cho các hệ thống điều hoà không khí, việc ứng dụng công nghệ tích trữ lạnh vào việc cấp lạnh cho các hệ thống điều hoà không khí là rất hợp lý và cần thiết Công nghệ tích trữ lạnh giúp san bằng phụ tải làm giảm chi phí sử dụng điện cho các doanh nghiệp, giảm áp lực tiêu thụ điện và còn giảm lượng khí thải nhà kính

ra môi trường

Trên thế giới, công nghệ tích trữ lạnh đã được sử dung rộng rãi nhiều nơi từ rất lâu nhưng tại Việt Nam nó mới được quan tâm gần đây Vì thế việc đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ này cho điều hoà không khí trong tình hình sử dụng năng lượng hiện nay tại nước ta là rất cần thiết

1

1.1 Yêu cầu của đề tài

Từ khi nước ta bước vào thời kỳ mở cửa, nền kinh tế phát triển rất nhanh kéo theo sự gia tăng nhu cầu về tiện nghi phục vụ cuộc sống, công việc và trong đó rõ ràng nhất là vai trò không thể thay thế của các hệ thống điều hòa không khí Hầu hết các tòa nhà văn phòng, khách sạn, siêu thị, nhà hàng… đều sử dụng hệ thống điều hòa không khí Tuy nhiên, các hệ thống điều hòa không khí là các hệ thống sử dụng năng lượng với hiệu quả rất thấp, trong một ngày hệ thống làm việc hết công suất chỉ vài giờ mà những giờ này lại rơi vào giờ cao điểm với giá thành sử dụng điện rất cao Còn phần lớn thời gian, hệ thống chỉ hoạt động một phần phụ tải do nhu cầu phụ tải lạnh thấp

Trước vấn đề này, từ lâu các nước trên thế giới đã khắc phục bằng các sử dụng công nghệ tích trữ lạnh vào các hệ thống điều hòa không khí Nguyên lý chung của công nghệ tích trữ lạnh là tích trữ lạnh dưới nhiều dạng: nước lạnh, băng… lúc hệ thống ở chế độ phụ tải thấp, giá điện rẻ và giải phóng lạnh cung cấp cho hệ thống ở chế độ phụ tải cao, giá điện cao Mặc dù đã được các nước trên thế giới sử dụng rộng rãi nhưng tại Việt Nam hầu như chưa xuất hiện, nguyên nhân chính là giá thành đầu tư của thiết bị tích trữ lạnh rất cao khiến cho các nhà đầu tư e ngại

Từ những lý do khách quan đã nêu trên, việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng thiết bị tích trữ lạnh vào các hệ thống lạnh nói chung và các hệ thống điều hòa không khí nói riêng tại Việt Nam là rất quan trọng và bức thiết Các hệ thống tích trữ lạnh sẽ giúp việc sử dụng năng lượng hiệu quả hơn, giảm chi phí

2

điện năng, giảm được áp lực đáng kể cho lưới điện quốc gia Từ các vấn đề nêu trên, yêu cầu và nhiệm vụ chính của luận văn này là:

- Lựa chọn sơ đồ tích trữ băng phù hợp với điều kiện Việt Nam

- Thực hiện các thí nghiệm tạo băng trên ống

- Đưa ra các cơ sở tính toán chế tạo bồn tích trữ lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên Ngoài Ống

- Viết chương trình phần mềm mô phỏng quá trình tạo băng và tính toán kinh tế, kỹ thuật cho các hệ thống điều hòa không khí có sử dụng bồn tích trữ lạnh

1.2 Nội dung nghiên cứu

- Đưa ra các phương pháp tích trữ lạnh hiện đang sử dụng trên thế giới, sau đó so sánh và chọn ra sơ đồ tích trữ lạnh ứng dụng trong các hệ thống điều hòa không khí phù hợp với điều kiện hiện nay tại Việt Nam

- Nghiên cứu lý thuyết và thực hiện các thực nghiệm liên quan đến quá trình hình thành băng trên bề mặt ống của thiết bị tích trữ băng dạng Băng Tan Chảy Bên Ngoài Ống

- Xây dựng mô hình thí nghiệm bồn tích trữ lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên Ngoài Ống

- Mô phỏng quá trình hình thành băng trên bề mặt ống bằng máy tính, sau đó so sánh với kết quả thực nghiệm và đưa ra các nhận xét, đề nghị

- Tính toán chế tạo một bồn tích trữ lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên Ngoài Ống và tính toán sơ bộ giá thành thiết bị, sau đó so sánh với giá thành thiết bị ngoại nhập

- Tính toán kinh tế, kỹ thuật cho một công trình điều hòa không khí, so sánh các trường hợp hệ thống có sử dụng bồn tích trữ lạnh với hệ thống truyền thống

3

So sánh trường hợp sử dụng bồn tích trữ lạnh chế tạo trong nước và bồn tích trữ lạnh nhập từ nước ngoài Đưa ra các nhận xét

1.3 Giới hạn của đề tài

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu tính toán chế tạo một trong số rất nhiều các thiết bị tính trữ lạnh hiện nay trên thế giới, đó là bồn tích trữ lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên Ngoài Ống

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu phương pháp tính toán chế tạo bồn tích trữ lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên Ngoài Ống

- Xây dựng mô hình thí nghiệm bồn tích trữ lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên Ngoài Ống

- Nghiên cứu quá trình hình thành băng trên bề mặt ống băng mô hình thực nghiệm

- Đo đạc số liệu thí nghiệm từ một tích trữ lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên Ngoài Ống

- Nghiên cứu xây dựng phầm mềm mô phỏng quá trình hình thành băng trên bề mặt ống, từ đó so sánh với quá trình thực tế để tìm ra hệ số hiệu chỉnh cho quá trình mô phỏng

- Nghiên cứu xây dựng chương trình phần mềm tính toán kinh tế, kỹ thuật cho các hệ thống điều hòa không khí có sử dụng bồn tích trữ lạnh

- Từ các kết quả tính toán và so sánh đã có, luận văn đưa ra các kết luận về triển vọng chế tạo và sử dụng rộng rãi công nghệ tích trữ lạnh tại Việt Nam

4

1.5 Ýnghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

- Kết quả mô phỏng quá trình hình thành băng trên bề mặt ống có thể làm

cơ sở cho việc tính toán thiết kế bồn tích trữ lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên Ngoài Ống

- Đề tài định hướng cho việc chế tạo, ứng dụng rộng rãi bồn tích dạng Băng Tan Chảy Bên Ngoài Ống vào các hệ thống điều hòa không khí trong điều kiện công nghệ hiện nay tại Việt Nam nhằm giảm chi phí năng lượng

- Như đã nói đến ở phần trên, công nghệ tích trữ lạnh đã được sử dụng từ rất lâu trên thế giới nhưng hầu như chưa phổ biến tại nước ta Đề tài này khẳng định việc nghiên cứu chế tạo bồn tích trữ lạnh trong điều kiện công nghệ hiện nay ở Việt Nam là hoàn toàn có thể, điều này giúp giảm giá thành thiết bị rất nhiều và tạo điều kiện thuận lợi việc sử dụng công nghệ này rộng rãi ở Việt Nam trong một tương lai gần

5

2.1 Tình hình sử dụng công nghệ tích trữ lạnh trên thế giới

Công nghệ tích trữ lạnh trên thế giới được quan tâm đến từ rất sớm, ở Mỹ nó được phát triển từ những năm 1930, tuy nhiên công nghệ này bắt đầu được sử dụng rộng rãi từ những năm 1970-1980 [4] Công nghệ tích trữ lạnh thường được sử dụng cấp lạnh cho văn phòng, khách sạn, bệnh viện, siêu thị, trường học, nhà máy chế biến thực phẩm… Theo Potter (1994), trong các hệ thống tích trữ lạnh được sử dụng thì có 80% đến 85% hệ thống tích trữ băng, 10% đến 15% tích trữ nước lạnh và khoảng 5% tích trữ muối eutectic

Tại Mỹ từ những năm đầu 1990 đã có từ 1500 đến 2000 công trình tích trữ lạnh được sử dụng phổ biến Theo Baltimore Aircoil Company, một trong những nhà sản xuất thiết bị tích trữ lạnh hàng đầu trên thết giới, thì đến năm 1996 họ đã cung cấp cho khoảng 500 công trình tích trữ lạnh tại Mỹ và 40 công trình tích trữ lạnh tại Canađa

Tại Nhật, [9]:

- Năm 1990 có 1474 công trình điều hoà không khí có sử dụng tích trữ lạnh

- Năm 1993 có 2335 công trình điều hoà không khí có sử dụng tích trữ lạnh

- Năm 1998 có 5566 công trình điều hoà không khí có sử dụng tích trữ lạnh Dự kiến đến năm 2010 các hệ thống tích trữ lạnh có thể dịch chuyển phụ tải

6

2.2 Nguyên lý chung của công nghệ tích trữ lạnh

Nguyên lý chung của các hệ thống tích trữ lạnh là tích trữ lạnh dưới nhiều dạng: nước lạnh, băng… lúc hệ thống ở chế độ phụ tải thấp, giá điện rẻ và giải phóng lạnh cung cấp cho hệ thống ở chế độ phụ tải cao, giá điện cao

Nhìn chung công nghệ tích trữ lạnh có ý nghỉa giảm chi phí năng lượng bằng sự tập trung năng lượng, giá thành sản phẩm thấp do ít tốn kém chi phí năng lượng

Về phương pháp tích trữ lạnh, có hai phương pháp được sử dụng:

Về công nghệ, có ba sơ đồ chính được sử dụng:

• Tích trữ lạnh dùng nước lạnh: loại này còn được gọi là tích trữ dạng

• Tích trữ lạnh dùng băng: loại này sử dụng cả nhiệt ẩn lẫn nhiệt hiện

vì vậy khả năng tích trữ năng lượng của băng gấp 7 lần của nước

7

• Tích trữ lạnh dùng muối eutectic: loại này sử dụng tính biến đổi pha

của muối eutectic, năng lượng tích trữ chủ yếu là nhiệt ẩn, còn nhiệt hiện không

đáng kể

Bảng sau đây tóm tắc các đặc tính của các sơ đồ tích trữ trên:

Bảng 2.1 Tóm tắt đặc tính của các sơ đồ tích trữ

Chất dùng để

tích trữ

Nhiệt độ tích trữ, 0 C

Nhiệt độ xả tảiû, 0 C

Nhiệt độ biến đổi pha, 0 C

Đối với phương pháp tích trữ này, máy lạnh hoàn toàn không hoạt động

vào giờ cao điểm vì toàn bộ tải lạnh giờ cao điểm đã được đáp ứng bằng lượng

lạnh đã được tích trữ trong hệ thống vào giờ thấp điểm Do đặc điểm này nên

các thiết bị trong hệ thống như máy móc, bồn tích trữ… đều có kích thước lớn hơn

các hệ thống kiểu khác và giá thành đầu tư cũng cao hơn

Tuy nhiên hệ thống tích trữ toàn phần là hệ thống đạt được sự tiết kiệm lớn

nhất do mức độ chênh lệch tương đối lớn giữa giá điện giờ cao điểm và giờ

thấp điểm (ở nước ta là khoảng 3 lần) Ngoài ra hệ thống này càng tiết kiệm hơn

ở nhưng nơi có tải đỉnh ngắn và sự chênh lệch giữa tải cao điểm và tải thấp điểm

lớn

¾ Tích trữ một phần kiểu san bằng tải:

Ở phương pháp này, kích thước và giá thành của chiller, bồn tích trữ được thiết kế ở mức tối thiểu nhưng vẫn đảm bảo đáp ứng được tải đỉnh Chiller luôn hoạt động ở chế độ đầy tải cả ngày, khi yêu cầu phụ tải thấp chiller vừa cấp lạnh vừa tích trữ lạnh, lúc yêu cầu phụ tải cao phần thiếu hụt sẽ được bù đắp bằng hệ thống tích trữ lạnh

Hệ thống sử dụng phương pháp này lý tưởng ở những nơi có khuyến khích về giá điện cho các phụ tải thay đổi điều độ, mức chênh lệch giữa tải đỉnh và tải trung binh cao hoặc thời gian có tải đỉnh lớn

9

Hình 2.2 Sơ đồ vận hành tích trữ một phần kiểu san bằng tải

¾ Tích trữ một phần kiểu giới hạn tải yêu cầu:

Phương pháp này là mức trung gian giữa tích trữ toàn phần và tích trữ một phần kiểu san bằng tải Chiller vẫn hoạt động liên tục nhưng trong thời gian tải đỉnh chiller làm việc ở chế độ non tải

Hệ thống sử dụng phương pháp tích trữ một phần mặc dù dịch chuyển phụ tải ít hơn nên tiết kiệm năng lượng ít hơn nhưng giá thành đầu tư thấp, thiết bị ít chiếm diện tích hơn hệ thống tích trữ toàn phần hơn vì thế thường được lựa chọn hơn

10

Hình 2.3 Sơ đồ vận hành tích trữ một phần kiểu giới hạn tải yêu cầu

2.4 Các sơ đồ tích trữ lạnh

2.4.1 Tích trữ lạnh dùng nước lạnh

Các hệ thống trữ lạnh này tích trữ nhiệt hiện của nước, cứ 1kg nước giảm từ

năng tích trữ lạnh khác nhau, chẳng hạn nhiệt độ nhiệt độ nước tích trữ lạnh là

tích trữ có thể làm bằng thép hoặc bằng bê tông bên ngoài được cách hniệt

Ở chế độ này, các van chặn của bồn tích trữ lạnh mở, nước từ đỉnh bồn tích trữ được bơm nước lạnh tuần hoàn đẩy về chiller làm lạnh xuống nhiệt độ từ 4

11

Khi yêu cầu phụ tải lạnh cao, nước từ bồn tích trữ sẽ được cấp trực tiếp cho phụ tải Bồn tích trữ đơn giản dùng để chứa cả nước lạnh và nước hồi về từ phụ tải Hai khối nước lạnh và ấm tách biệt nhau nhờ vào sự phân tầng trong bồn chứa, khối nước lạnh ở phía đáy bồn chứa và khối nước hồi có nhiệt độ cao hơn

ở phía đỉnh bồn chứa Sự phân tầng này nhờ vào một hệ thống ống nước được thiết kế đặc biệt làm cho nước ra và nước vào không có sự hoà trộn mạnh, kết quả là khối nước lạnh và khối nước hồi về tách ra theo đường themocline, được biểu diễn theo hình dưới

Hình 2.4 Sự phân tầng nước lạnh trong bồn tích trữ nước lạnh

Do tích trữ nhiệt hiện nên dung tích của bồn tích trữ nước lạnh thường rất

chứa nước lạnh có thể dùng như bể chứa nước chữa cháy

12

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ lạnh dùng nước

7 Bơm nước giải nhiệt

13

2.4.2 Tích trữ lạnh dùng băng

2.4.2.1 Tích trữ dùng băng dạng tĩnh (Ice-on-coil)

Các hệ thống tích trữ băng này còn được gọi là hệ thống Ice-on-pipe, nghĩa là trong quá trình tạo băng, băng sẽ được hình thành trên bề mặt ống và trong quá trình tan băng chất tải lạnh có thể di chuyển bên trong hoặc bên ngoài ống

a Băng tan chảy bên ngoài ống (External melt ice-on-coil)

Quá trình tạo băng xảy ra khi nước ấm chảy qua bề mặt ngoài của ống trao đổi nhiệt với tác nhân lạnh bay hơi hoặc chất tải lạnh bên trong ống

Hình 2.6 Băng tích trữ tan chảy bên ngoài ống

¾ Làm lạnh trực tiếp bằng tác nhân lạnh

Nước lạnh đến cấp lạnh cho

phụ tải

14

Thiết bị bay hơi được làm bằng ống thép được được đặt chìm vào bồn tích trữ, bên ngoài ống là nước ấm chảy qua, bên trong là tác nhân lạnh bay hơi Lớp băng được tạo ra trên bề mặt ống có bế dày từ 20 ÷ 40 mm Khoảng cách giữa các ống thép đủ rộng để cho lớp băng tạo ra trên bề mặt ống không bị dính với nhau tránh tình trạng nghẽn đường nước tuần hoàn qua bồn tích trữ

Nước ấm chảy qua bề mặt ống trao đổi nhiệt với tác nhân lạnh bay hơi trực tiếp bên trong ống tạo thành lớp băng trên bề mặt ống, lớp băng dần dần dày lên theo thời gian tích trữ, lúc này nhiệt độ tác nhân lạnh ở đầu hút máy nén giảm

Nước được bơm nước lạnh đẩy qua bồn tích trữ làm tan băng, giảm nhiệt độ

trao đổi nhiệt giữa nước và băng, một hệ thống khí nén được dùng để sục vào bể

Hệ thống tích trữ băng tan chảy bên ngoài ống làm lạnh trực tiếp bằng tác nhân lạnh đầu tư tốn kém, lượng băng chỉ chiếm 50% dung tích bồn trữ vì vậy bồn trữ chiếm nhiều không gian Mặt khác trong quá trình tạo băng, tỷ số nén giảm vì vậy sử dung máy nén trục vít hoặc ly tâm sẽ phù hợp hơn máy nén piston

15

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ băng tan chảy bên ngoài ống làm

lạnh trực tiếp bằng tác nhân lạnh

1

2

3

4 5

8 7

6

16

¾ Làm lạnh gián tiếp bằng chất tải lạnh

Khác với hệ thống trên, bên trong ống thép không phải là tác nhân lạnh bay hơi mà là chất tải lạnh đã được làm lạnh trước Dàn lạnh chiếm khoảng 10% dung tích bồn trữ, 10% chừa chổ cho nước giản nở khi đông đặc, còn lại là chứa nước Chất tải lạnh thường được sử dụng là Etylen glycol, nồng độ từ 25÷40%

được bơm đẩy qua dàn lạnh Băng bắt đầu hình thành trên bề mặt ống và dày dần lên, lúc này nhiệt độ chất tải lạnh cũng giảm xuống dần Chiều dày lớp băng phụ thuộc vào yêu cầu và kết cấu của hệ thống

Nước ấm hồi về từ các phụ tải lạnh sẽ làm tan băng, nước ra khỏi bồn tích

Do hệ thống này tác nhân lạnh không bay hơi trực tiếp mà sử dụng chất tải lạnh trung gian nên về lý thuyết nhiệt độ bay hơi của tác nhân lạnh thấp hơn bình thường một ít dẫn đến năng suất lạnh giảm đi so với phương pháp bay hơi tác nhân lạnh trực tiếp Để khắc phục điều này, dàn lạnh phải tăng diện tích trao đổi nhiệt và giảm bề dày lớp băng

17

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ băng tan chảy bên ngoài ống làm

lạnh gián tiếp bằng chất tải lạnh

9 Bơm nước giải nhiệt

18

b Băng tan chảy bên trong ống (Internal melt ice-on-coil)

Các hệ thống kiểu này chỉ sử dụng chất tải lạnh để cấp lạnh tạo băng Dàn lạnh ống thép được đặt chìm vào một bể nước, bên trong ống có chất tải lạnh chảy qua trong cả quá trình nạp tải và xả tải Chất tải lạnh thường dùng cũng là Etylen glycol nồng độ 25÷30% Ở chế độ nạp tải, nhiệt độ chất tải lạnh từ -6 ÷ -

thuộc vào tỷ lệ và khối lượng băng cần sản xuất

Hình 2.9 Băng tích trữ tan chảy bên trong ống

Chất tải lạnh được bơm đẩy đến chiller làm lạnh, sau đó đưa vào dàn lạnh

Chất tải lạnh nhiệt độ thấp chảy

trong ống tạo băng

CHẾ ĐỘ NẠP TẢI

Chất tải lạnh nhiệt độ cao hồi về

từ phụ tải lạnh, chảy trong ống

làm tan băng

CHẾ ĐỘ XẢ TẢI

19

trên bề mặt ngoài của ống và bề dày tăng dần lên cho đến khi nước trong bồn tích trữ hoàn toàn đông thành băng thì quá trình tích trữ kết thúc

Chất tải lạnh ấm hồi về từ phụ tải đi bên trong ống sẽ làm tan băng trong bồn tích trữ Chất tải lạnh lúc này có chức năng ngược lại với chế độ nạp tải, nghĩa là làm tan băng và cấp lạnh cho phụ tải

Nếu hệ thống vận hành với chế độ tích trữ một phần thì chất tải lạnh sau

Trong trường hợp hệ thống vận hành với chế độ tích trữ toàn phần, khi xả tải chiller không làm việc và chỉ có bồn tích trữ làm lạnh chất tải lạnh để cấp lạnh cho phụ tải

Các hệ thống tích trữ băng dạng tĩnh sử dụng máy nén piston, trục vit hoặc

ly tâm tuỳ thuộc vào năng suất tích trữ và loại thiết bị ngưng tụ được lựa chọn (giải nhiệt nước, giải nhiệt gió hay giải nhiệt hỗn hợp) Tại những nơi có nhiệt độ ban đêm thấp hơn nhiều so với ban ngày thì sử dụng thiết bi ngưng tụ giải nhiệt gió hiệu quả hơn sử dụng thiết bị ngưng tụ giải nhiệt nước Việc sử dụng chất tải lạnh có vài nhược điểm như phát sinh tổn thất nhiệt trong quá trình trao đổi nhiệt giữa tác nhân lạnh và chất tải lạnh, phát sinh thêm chi phí đầu tư cho đường ống, bơm chất tải lạnh, tuy nhiên sử dụng chất tải lạnh hệ thống chiller sẽ gọn nhẹ hơn rất nhiều

20

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ băng tan chảy bên trong ống, làm

lạnh gián tiếp bằng chất tải lạnh

7 Bơm nước giải nhiệt

21

2.4.2.2 Tích trữ băng dạng động (Ice havester)

Trong các hệ thống kiểu này, thiết bị tạo băng và tích trữ băng được phân biệt rõ ràng Thiết bị tạo băng được đặt phía trên bồn tích trữ, có dạng tấm, bên trong là tác nhân lạnh bay hơi trực tiếp còn bề mặt ngoài có nước tưới qua

Nước được bơm từ đáy của bồn tích trữ và nước ấm hồi về từ phụ tải lạnh tưới lên bề mặt thiết bị tạo băng Nhiệt độ bay hơi của tác nhân lạnh bên trong

băng có chiều dày từ 5÷10mm, đến chu kỳ xả băng nhất định, băng sẽ rơi xuống bồn tích trữ phía dưới, sau đó lặp lại chu trình Thời gian tạo băng khoảng 10÷30 phút và xả băng khoảng 20÷60 giây Năng lượng dùng để xả băng thường là hơi tác nhân lạnh trích từ đầu đẩy máy nén Băng rơi xuống bể tích trữ tạo ra một hỗn hợp gồm băng và nước

Nếu hệ thống vận hành với chế độ tích trữ toàn phần thì trong quá trình xả tải, máy nén ngừng làm việc hoàn toàn Lúc này nhiệt độ nước ra khỏi bồn tích

hồi về từ phụ tải lạnh cũng đi qua thiết bị tạo băng và rơi xuống đỉnh bồn tích trữ để thuận tiện cho việc hoà trộn và trao đổi nhiệt giữa băng và nước

Nếu hệ thống làm việc với chế độ tích trữ một phần thì máy nén cũng làm việc trong thời gian xả tải

Bề dày lớp băng luôn được khống chế dưới 10mm nhờ quá trình xả băng, vì vậy nhiệt độ bay hơi của tác nhân lạnh hầu như ít thay đổi trong quá trình làm

gió nhiệt độ thấp

Chú thích:

11

12

6

10