Nghiên cứu công nghệ tích trữ lạnh cho hệ thống điều hoà không khí water chiller. Áp dụng tính toán thiết kế bình trữ lạnh cho hệ thống điều hoà không khí đang hoạt động của nhà máy Mabuchi Motor
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 86 NGHIÊN CỨU DÙNG CƠNG NGHỆ TÍCH TRỮ LẠNH CHO HỆ THỐNG ĐIỀU HỒ KHƠNG KHÍ WATER CHILLER RESEARCHING APPLICATIONS OF COOL STORAGE TECNOLOGY FOR AIR-CONDITIONING WATER CHILLER SYSTEM SVTH: NGUYỄN QUỐC ĐỊNH Lớp: 03N1, Trường Đại Học Bách Khoa GVHD: THS. HUỲNH NGỌC HÙNG Khoa Cơng Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh, Trường Đại Học Bách Khoa TĨM TẮT Nghiên cứu cơng nghệ tích trữ lạnh cho hệ thống điều hồ khơng khí water chiller. Áp dụng tính tốn thiết kế bình trữ lạnh cho hệ thống điều hồ khơng khí đang hoạt động của nhà máy Mabuchi Motor. So sánh hiệu quả kinh tế khi lắp bình trữ lạnh vào hệ thống điều hồ khơng khí và hệ thống điều hồ khí khơng sử dụng bình trữ lạnh. SUMMARY Researching cool storage technology for Air-Conditioning Water Chiller systems. Apply to design cool storage tank for Air-Conditioning Water Chiller systems in Mabuchi Motor factory. Compare economically among two projects. 1. Mở đầu: Trong cuộc sống hiện đại, hệ thống điều hồ khơng khí là một trong những thiết bị khơng thể thiếu trong các tồ nhà, văn phòng , khách sạn, ngân hàng, nhà máy máy sản xuất thiết bị điện tử…. Để vận hành những hệ thống điều hồ này, chúng ta cần một lượng năng lượng lớn (điện năng ), có thể chiếm tới 70% tổng năng lượng sử dụng của cả nhà máy . Thêm vào đó, hiện tượng q tải của lưới điện trong giờ cao điểm và giá điện giờ cao điểm cao hơn gấp 3 giờ thấp điểm. Làm thế nào để giảm thiểu được chi phí điện năng tiêu thụ cho hệ thống điều hồ khơng khí là một trong những vấn đề được nhiều người quan tâm nhất hiện nay. Có nhiều biện pháp để giảm điện năng cho hệ thống điều hồ khơng khí, trong báo cáo này em xin trình bày một cách tiết kiệm hiệu quả và đơn giản đó là cơng nghệ tích trữ lạnh. 2. Nội dụng: Ngun lý chung của cơng nghệ tích trữ lạnh Sơ đồ ngun lý của tích trữ lạnh tồn phần Tính tốn thiết kế bình trữ lạnh Tính kinh tế khi sử dụng bình trữ lạnh 2.1. Ngun lý chung của cơng nghệ tích trữ lạnh: Ngun lý chung của hệ thống tích trữ lạnh là tích trữ lạnh dưới dạng nước, băng, hay chất PCM có điểm nóng chảy ở nhiệt độ thấp …. Lúc hệ thống ở chế độ phụ tải thấp, giá điện rẻ và sử dụng lượng lạnh này cung cấp cho phụ tải cao, giá điện cao. Bảng 1 : So sánh đặc tính của phương pháp trữ lạnh Chất dùng để tích trữ lạnh Nhiệt độ tích trữ ( 0 C ) Nhiệt độ xả tải ( 0 C ) Nhiệt độ biến đổi pha ( 0 C ) Dung tích ( m 3 /kWh ) Nước 4 đến 7 5 đến 8 - 0,0861 đến 0,1690 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 87 Băng -9 đến -3 1 đến 3 0 0,0193 đến 0,0265 PCM 4 đến 5 7 đến 8 7 0,0450 Tích trữ lạnh có 2 cách thức là : Tích trữ 1 phần và tích trữ tồn phần . - Đối với tích trữ 1 phần : Hệ thống tích trữ lạnh trong suốt giờ thấp điểm, và chỉ bổ sung tải một phần cho tải lạnh trong giờ cao điểm. - Đối với tích trữ tồn phần : Hệ thống trữ lạnh trong suốt giờ thấp điểm, và cấp lạnh cho tải trong suốt giờ cao điểm, máy lạnh water chiller ngưng hoạt động sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất. 2.2. Sơ đồ ngun lý của tích trữ lạnh tồn phần: 2.3. Tính tốn thiết kế bình tích trữ lạnh: 2.3.1. Lựa chọn dạng bình tích trữ lạnh : Bình tích trữ lạnh chứa chất PCM mỗi module có thể có dạng hình hộp (PCM dạng tấm phẳng ) cầu hay trụ. Với bình trữ lạnh của ta thiết kế do khơng chịu áp lực, để chế tạo đơn giản chọn bình dạng hộp là thích hợp nhất. Bình trữ lạnh dạng hộp có cấu tạo : các ống nước núc vào 2 mặt sàn, PCM điền đầy bọc quanh các ống nước. 2.3.2. Giải bài tốn đơng đặc PCM với vách trụ : 1. Phát biểu bài tốn : Nước chảy trong ống có hệ số toả nhiệt , nhiệt độ nước t nl . PCM ( t nv , ,, PP L P , C P ) bọc ngồi ống hình trụ ( R 1 /R 2 ). Q trình trao đổi nhiệt như sau : Nước lạnh làm lạnh PCM đến nhiệt độ đơng đặc và làm đơng đặc hết khối PCM. t RR dR R 1 2 0 PCM Nước t nl 0 t q nl t t dd nv t 2 1 t 0 Hình 2.1. Ở chế độ đang tích trữ ( nạp tải ) Hình 2.2.Ở chế độ đang sử dụng ( xả tải ) Hình 3.1 – Mơ hình bài tốn đơng đặc Hình 3.2 - Thời gian đơng đặc Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 88 * Các giả thiết khi giải bài toán : - Nhiệt độ ban đầu của khối PCM là đồng đều và bằng nhiệt độ nước về t 0 = t nv . - Chiều dày ống nước mỏng 0/ vv - Khối PCM được cách nhiệt lý tưởng - Quá trình hoá rắn ranh giới giữa phần rắn và phần lỏng có dạng trụ trơn. 2. Giải bài toán đông đặc : Quá trình đông đặc chia làm 2 giai đoạn : - Giai đoạn 1 : làm mát từ nhiệt độ t nv đến nhiệt độ t cp mất thời gian 1 Phương trình cân bằng nhiệt cho thể tích V P trong khoảng thời gian d là : dttFdtCV ttdPPP )( d CV F tt dt PPP d t t tt cp nv 1 0 Với 2 1 2 2 1 2 1 2 2 1 2 ).( .2. RR R lRR lR V F P 1 2 1 2 2 1 2 .ln RR R Ctt tt PP d ttcp ttnv ( 1 ) - Giai đoạn 2 : Khối PCM đông đặc trong khoảng thời gian 2 Gọi độ dày trung bình của PCM đông đặc sau thời gian 2 : =R 2 – R 1 dR là độ dày lớp PCM đông đặc sau thời gian d Phương trình cân bằng nhiệt cho dV = 2 RdR. tạo ra sau thời gian d Lượng nhiệt toả ra khi dV hoá rắn = Nhiệt dẫn qua vách PCM đã hoá rắn ra nước lạnh: d R R R tt RdRL Pdd ttcp Pp 11 ln 11 ).(.2 .2. 22 1 0 11 . )ln 11 ( d L tt RdR R R R PP ttcp R R Pdd 2 2 1 2 2 1 2 2 2 1 2 1 2 2 . )( )( 4 1 ln 2 1 .2 PP ttcp PPdd L tt RR R R R R RR ( 2 ) Từ ( 1 ) và ( 2 ) ta có thời gian đông đặc hoàn toàn khối PCM thể tích V P là: )]( .4 1 ln .2 1 2 [ . ln 2 )( 2 1 2 2 1 2 2 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 2 RR R R R R RR tt L tt tt R RRC PPddttcp PP ttcp ttnv dd PP dd 2.3.3. Tính phụ tải lạnh nhà máy Mabuchi Motor 1. Chọn phương pháp tích trữ: Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 89 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240 H(giờ) Q(ton giờ) 0 100 200 300 300 200 100 0 Q(ton giờ) H(giờ) 0 2422201816 14 121086 4 2 Tổng cơng suất lạnh của bình tích trữ cần chế tạo là : Q 0 = 1800 ton-giờ = 6330,6 kWh. 2. Tính thiết kế bình trữ lạnh với năng suất trữ lạnh Q 0 = 6330,6 kWh và thời gian trữ lạnh 6 giờ. Bảng tổng hợp các thơng số ban đầu khi thiết kế bình trữ lạnh Tên đại lượng Ký hiệu Giá trị Đơn vị Nhiệt độ nước về bình t nv 13 0 C Nhiệt độ tích trữ t tt 4 0 C Nhiệt độ xả tải t xt 8 0 C Nhiệt độ chuyển pha của PCM E7 t cp 7 0 C Khối lượng riêng của PCM E7 P 1542 kg/m 3 Nhiệt ẩn hố rắn của PCM E7 L P 120 kJ/kg Nhiệt dung riêng của PCM E7 C P 2,18 kJ/kgK Hệ số dẫn nhiệt của PCM E7 P 0,4 W/mK Đường kính ống nước d 25 mm Chiều dài ống nước 10 m Hệ số toả nhiệt của nước ( t=4 0 C, sm/5,0 , d=25mm ) dd 1753,85 W/m 2 K Từ cơng thức (3) ta tính được R 2 = 54 mm. Bảng tổng hợp các thơng số kỹ thuật của bình trữ lạnh Thơng số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Kích thước mặt cắt ngang S 12,68 m 2 Chiều dài bình L 11 m Chiều dày vỏ v 5 m Thể tích PCM V PCM 120 m 3 Khối lượng PCM G PCM 185,04 tấn Chiều dài một mét ống 10 m Đường kính ngồi ống d 2 27 mm Đường kính trong ống d 1 25 mm Khoảng cách giữa 2 tâm ống d=2R 2 108 mm Số lượng ống n 1384 ống Tổng chiều dài ống N 13840 m Hình 5 - Biểu đồ cơng suất chiller khi khơng có bình trữ lạnh Hình 6 - Biểu đồ cơng suất chiller nhà máy khi có bình trữ lạnh Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 90 2.3.4. Cấu tạo bình trữ lạnh : 3.500 108 108 R=25 10.000 11.000 3.500 2.4. Tính kinh tế khi sử dụng bình trữ lạnh: Nội dung Phương án sử dụng bình trữ lạnh Tổng giá thành đầu tư, triệu đồng 1901 Chi phí vận hành hàng năm hệ thống điều hoà , triệu đồng 2420 Chi phí vận hành hàng năm khi có bình tích trữ lạnh, triệu đồng 1702 Chi phí tiết kiệm hàng năm, triệu đồng 718 Số năm thu hồi vốn, năm 2,65 3. Kết luận : Giảm được chi phí vận hành của hệ thống ĐHKK trung tâm. Giảm tải cho lưới điện trong giờ cao điểm. Gián tiếp giảm lượng phát thải khí CO 2 của nhà máy điện. Điều này có ý nghĩa hơn khi nhà nước tăng giá điện lên 15% và số giờ cao điểm tăng lên 7h so với 4h như hiện nay. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS. Võ Chí Chính (2005), Giáo trình ĐHKK, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [2] Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Quốc Phú, Truyền Nhiệt, Nhà xuất bản Giáo dục. CÁC TRANG WEB THAM KHẢO www.ashrae.com www.epsltd.co.uk www.hvacr.com.vn www.eren.doe.gov www.vtt.fi www.cevre.cu.edu.tr www.acre.murdoch.edu.au