Nghiên cứu, tính toán và đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật của các phương án sử dụng thiết bị ngưng tụ khác nhau trong hệ thống lạnh

Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHAN VĂN THẢO NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA CÁC PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG THIẾT BỊ NGƯNG TỤ KHÁC NHAU TRONG HỆ THỐNG LẠNH Chuyên ngành: Công Nghệ Nhiệt Mã số: 60.52.80 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2011 Footer Page of 126 Header Page of 126 Công trình ñược hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Võ Chí Chính Phản biện 1: TS Nguyễn Thành Văn Phản biện 2: GS.TSKH Phan Quang Xưng Luận văn ñược bảo vệ Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 21 tháng 11 năm 2011 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Footer Page of 126 Header Page of 126 MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI - Xuất phát từ tầm quan trọng tính cấp bách việc lựa chọn thiết bị trao ñổi nhiệt nói chung thiết bị ngưng tụ nói riêng hệ thống lạnh - Các giải pháp phương án lựa chọn thiết bị ngưng tụ thực tế lâu ñược thực kinh nghiệm Do ñó ñộ xác chưa cao, chưa phát huy ñược hiệu làm việc thiết bị Do vậy, cần phải xây dựng ñược toán phân tích hiệu kinh tế kỹ thuật phương án sử dụng thiết bị ngưng tụ khác hệ thống lạnh nhằm lựa chọn ñược thiết bị ngưng tụ phù hợp MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU - Nhằm nâng cao hiệu việc sử dụng thiết bị ngưng tụ hệ thống lạnh - Xây dựng sở ñể tính toán hệ số truyền nhiệt loại thiết bị ngưng tụ khác hệ thống lạnh Qua ñó, ta tính toán ñược hiệu kinh tế kỹ thuật loại thiết bị ngưng tụ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu dựa sở lý thuyết - Nghiên cứu dựa phương pháp khảo sát từ thực tế loại thiết bị ngưng tụ ñược sử dụng hệ thống lạnh TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU - Tài liệu chuyên môn thiết bị ngưng tụ hệ thống lạnh - Các sách chuyên khảo giáo trình thiết bị lạnh - Catalogue nhà sản xuất hệ thống thiết bị lạnh Footer Page of 126 Header Page of 126 - Các tiêu chuẩn thiết kế hệ thống lạnh ñiều hòa không khí - Tài liệu từ nguồn Internet - Tạp chí chuyên ngành nhiệt lạnh Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI - Góp phần xây dựng sở lý thuyết cho việc lựa chọn thiết bị ngưng tụ cách hợp lý hiệu - Giảm giá thành ñầu tư chi phí vận hành bảo dưỡng hệ thống nhiệt lạnh - Nâng cao tuổi thọ thiết bị - Góp phần tiết kiệm lượng CẤU TRÚC LUẬN VĂN Ngoài phần mở ñầu kết luận, luận văn bao gồm chương: Chương Tổng quan thiết bị ngưng tụ hệ thống lạnh Chương Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt ñộ ngưng tụ tới hiệu hệ thống lạnh Chương Tính toán so sánh hệ số truyền nhiệt loại thiết bị ngưng tụ Chương Đánh giá, phân tích hiệu lượng phương án sử dụng thiết bị ngưng tụ khác Footer Page of 126 Header Page of 126 Footer Page of 126 Header Page of 126 Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ NGƯNG TỤ TRONG HỆ THỐNG LẠNH 1.1 VAI TRÒ, VỊ TRÍ CỦA THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 1.1.1 Vai trò thiết bị trao ñổi nhiệt Trong hệ thống lạnh thông thường (có máy nén) thiết bị trao ñổi nhiệt chiếm tỉ lệ lớn: 52 ñến 68% khối lượng 45 ñến 62% thể tích toàn hệ thống lạnh 1.1.2 Vai trò thiết bị ngưng tụ Có nhiệm vụ ngưng tụ nhiệt sau máy nén thành môi chất lạnh trạng thái lỏng Khi thiết bị ngưng tụ làm việc hiệu quả, thông số hệ thống thay ñổi theo chiều hướng không tốt 1.2 CÁC LOẠI THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 1.2.1 Bình ngưng ống chùm nằm ngang 1.2.1.1 Đặc ñiểm cấu tạo Hình 1.1: Bình ngưng ống chùm nằm ngang 1.2.1.2 Ưu ñiểm - Mật ñộ dòng nhiệt lớn q=3000÷6000W/m2, k=800÷1000W/m2K - Hiệu trao ñổi nhiệt ổn ñịnh, phụ thuộc vào thời tiết 1.2.1.3 Nhược ñiểm - Chi phí ñầu tư vận hành lớn - Đối với hệ thống lớn sử dụng bình ngưng không thích hợp ñó ñường kính bình lớn, không ñảm bảo an toàn - Yêu cầu khối lượng nước làm mát lớn nhanh tạo cáu bẩn Footer Page of 126 Header Page of 126 1.2.1.4 Những hư hỏng thường gặp cách khắc phục - Dễ bị bám cáu bẩn tắt nghẽn ñường nước - Khi áp suất ngưng tụ tăng cao, kim áp kế rung mạnh, không ổn ñịnh phải xả khí không ngưng qua bình tách khí 1.2.2 Bình ngưng ống vỏ thẳng ñứng 1.2.2.1 Đặc ñiểm cấu tạo 1.2.2.2 Ưu ñiểm - Hiệu trao ñổi nhiệt lớn, k = 800 ÷ 1000 W/m2.K - Không yêu cầu chất lượng nguồn nước cao - Do kết cấu thẳng ñứng nên lỏng môi chất dầu chảy thuận lợi, việc thu hồi dầu dễ dàng 1.2.2.3 Nhược ñiểm - Vận chuyển, lắp ñặt, chế tạo, vận hành tương ñối phức tạp - Lượng nước tiêu thụ lớn 1.2.2.4 Những hư hỏng thường gặp cách khắc phục 1.2.3 Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống 1.2.3.1 Đặc ñiểm cấu tạo Hình 1.3: Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống 1.2.3.2 Ưu ñiểm - Có kết cấu gọn gàng, an toàn - Có hiệu trao ñổi nhiệt lớn - Sử dụng thiết bị không cần dùng lạnh mà cho nước môi chất lưu ñộng ngược chiều 1.2.3.3 Nhược ñiểm - Chế tạo tương ñối khó khăn Footer Page of 126 Header Page of 126 - Suất tiêu hao kim loại lớn, ñộ kín khít nhỏ có nhiều mối nối - Do môi chất chuyển ñộng vào ống nên lưu lượng nhỏ, ñó thích hợp ñối với hệ thống nhỏ trung bình 1.2.3.4 Những hư hỏng thường gặp cách khắc phục - Nếu biện pháp chế tạo ñặc biệt ống dễ bị móp - Dễ bám bẩn ăn mòn bề mặt, thường xuyên bảo dưỡng 1.2.4 Thiết bị ngưng tụ kiểu bay 1.2.4.1 Đặc ñiểm cấu tạo 1.2.4.2 Ưu ñiểm - Do cấu tạo dạng dàn ống nên công suất thiết kế ñạt lớn mà không bị hạn chế lý - Ít tiêu tốn nước hơn, nước sử dụng theo kiểu tuần hoàn - Các dàn ống kích cỡ nhỏ nên làm việc an toàn 1.2.4.3 Nhược ñiểm - Chỉ thích hợp lắp ñặt trời - Các cụm ống trao ñổi nhiệt thường xuyên tiếp xúc với nước không khí, ñó môi trường ăn mòn mạnh, nên chóng bị hỏng 1.2.4.4 Những hư hỏng thường gặp cách khắc phục - Trong loại không dùng ñộng bơm quạt loại ñặc biệt chống nước mưa ñộng nhanh hỏng gây cố - Cũng phải thường xuyên bảo dưỡng sửa chữa 1.2.5 Dàn ngưng kiểu tưới 1.2.5.1 Đặc ñiểm cấu tạo 1.2.5.2 Ưu ñiểm - Hiệu trao ñổi nhiệt cao, k = 700÷900 W/m2.K - Cấu tạo ñơn giản, chắn, dễ chế tạo có khả sử dụng nguồn nước bẩn dàn ống ñể trần dễ vệ sinh - Lượng nước bổ sung ít, khoảng 30% lượng nước tuần hoàn Footer Page of 126 Header Page of 126 1.2.5.3 Nhược ñiểm - Trong trình làm việc, nước bắn tung tóe xung quanh - Tiêu thụ nước nhiều phải thường xuyên xả bỏ nước - Do tiếp xúc thường xuyên với nước không khí,ăn mòn nhanh - Hiệu giải nhiệt chịu ảnh hưởng thời tiết 1.2.5.4 Những hư hỏng thường gặp cách khắc phục 1.2.6 Dàn ngưng giải nhiệt không khí 1.2.6.1 Đặc ñiểm cấu tạo a) Dàn ngưng ñối lưu tự nhiên b) Dàn ngưng ñối lưu cưỡng 1.2.6.2 Ưu ñiểm - Không sử dụng nước phí vận hành giảm - Hệ thống sử dụng dàn ngưng không khí có trang thiết bị ñơn giản dễ sử dụng - Dàn ngưng không khí hư hỏng bị ăn mòn 1.2.6.3 Nhược ñiểm - Mật ñộ dòng nhiệt thấp, nên kết cấu cồng kềnh thích hợp cho hệ thống công suất nhỏ trung bình - Hiệu giải nhiệt phụ thuộc nhiều vào ñiều kiện khí hậu 1.2.6.4 Những hư hỏng thường gặp cách khắc phục Bề mặt truyền nhiệt dễ bị bám bẩn khó vệ sinh cánh trao ñổi nhiệt nhỏ dày Vì tránh ñặt thiết bị nơi bụi bặm 1.3 KẾT LUẬN Qua nghiên cứu tổng quan loại thiết bị ngưng tụ, ta thấy loại có ưu nhược ñiểm khác Do vậy, cần phải xây dựng ñược toán phân tích hiệu kinh tế kỹ thuật phương án sử dụng thiết bị ngưng tụ khác hệ thống lạnh Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 10 Chương NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ NGƯNG TỤ TỚI HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG LẠNH Mục ñích chương nghiên cứu tính toán ñể xác ñịnh ảnh hưởng mặt ñịnh lượng nhiệt ñộ ngưng tụ tới hiệu hệ thống lạnh, từ ñó có cách nhìn nhận xác vai trò thiết bị ngưng tụ ñến hiệu kinh tế toàn hệ thống lạnh Chúng ñã tiến hành tính toán ε, l, qk, q0 N chu trình lạnh cấp sử dụng NH3 R22 chế ñộ nhiệt khác với tk =30, 35, 40, 45 oC; to = -10, -15, -20oC; ∆tql= 50C, ∆tqn = 100C 2.1 HỆ THỐNG LẠNH SỬ DỤNG MÔI CHẤT NH3 2.1.1 Ảnh hưởng tk tới hệ số lạnh ε Hệ số làm lạnh ε tỉ số suất lạnh ñạt ñược công tiêu tốn cho chu trình: ε = q0 / l (2-1) Bảng 2.1 Kết tính toán tk 30 35 40 45 -10 5,58 4,86 4,29 3,82 -15 4,76 4,20 3,75 3,36 -20 4,11 3,66 3,29 2,98 t0 Hình 2.1: ε = f(tk, to) , NH3 Nhận xét: Khi tăng tk hệ số lạnh giảm, trung bình tăng 10oC hệ số lạnh ε giảm từ ÷ 1,3 (tương ñương khoảng 20%) 2.1.2 Ảnh hưởng tk tới l Công nén riêng l công lý thuyết mà máy nén phải sản ñể nén 1kg môi chất theo trình ñoạn nhiệt từ áp suất p0 lên pk: l = h2 − h1 , kJ/kg Footer Page 10 of 126 (2-2) Header Page 13 of 126 13 Nhận xét: Khi tăng tk q0 giảm, trung bình tăng 10oC suất lạnh riêng q0 giảm 47 ÷ 48kJ/kg tương ñương khoảng 4% 2.1.5 Ảnh hưởng tk tới chi phí lượng N Bảng 2.5.Kết tính toán (ảnh hưởng tk tới N, môi chất NH3) t0 tk 30 35 40 45 -10 207,69 233,41 259,03 284,51 -15 241,83 268,45 294,95 321,31 -20 278,38 305,96 336,41 360,71 Hình 2.5: Quan hệ N = f(tk, to) môi chất NH3 Nhận xét: Khi tk tăng N tăng, trung bình tăng 10oC chi phí lượng tăng 51 ÷ 58kJ/kg tương ñương khoảng 18 ÷ 25% 2.2 HỆ THỐNG LẠNH SỬ DỤNG MÔI CHẤT R22 2.2.1 Ảnh hưởng tk tới ε Nhận xét: Khi tăng nhiệt ñộ ngưng tụ ε, trung bình tăng 10oC hệ số lạnh ε giảm 0,7 ÷ 1,4 tương ñương khoảng 20 ÷ 24% 2.2.2 Ảnh hưởng tk tới l Nhận xét: l tăng lượng tương ñối lớn tăng tk Cụ thể, trung bình tăng 10oC l tăng khoảng - 8kJ/kg (khoảng 17% -23%) 2.2.3 Ảnh hưởng tk tới qk Nhận xét: Khi tăng tk suất nhiệt riêng tăng, trung bình tăng 10oC qk tăng - 7kJ/kg tương ñương khoảng 3% Footer Page 13 of 126 Header Page 14 of 126 14 2.2.4 Ảnh hưởng tk tới q0 Nhận xét: Khi tăng tk suất lạnh riêng giảm, trung bình tăng 10oC q0 giảm 12 - 13kJ/kg tương ñương khoảng 7-8% 2.2.5 Ảnh hưởng tk tới chi phí lượng N Nhận xét: Khi tăng tk chi phí lượng tăng, trung bình tăng 10oC N tăng – 8kJ/kg tương ñương khoảng 16- 22% 2.3 KẾT LUẬN Qua nghiên cứu ảnh hưởng tk ñến thông số nhiệt chu trình hệ thống lạnh cấp Có thể rút kết luận sau: Nhiệt ñộ ngưng tụ tk nhiệt ñộ bay t0 có ảnh hưởng lớn ñến hiệu hệ thống lạnh Ảnh hưởng nhiệt ñộ ngưng tụ tới ε, l, q0 N chu trình lạnh cấp sử dụng môi chất NH3 R22 gần tương tự Tuy nhiên, ñối với môi chất R22 tk ảnh hưởng ñến qk với tỉ lệ lớn nhiều so với môi chất NH3 (Khi tk tăng 100C suất nhiệt riêng qk tăng 0,05% ñối với môi chất NH3, tăng khoảng 3% ñối với môi chất R22) Khi tk tăng l N ε, q0 qk giảm Điều có nghĩa tk tỷ lệ thuận với l N; tỷ lệ nghịch với ε, q0 qk Dựa vào kết tính toán ta thấy ñược tk ảnh hưởng lớn ñến thông số sau: ε, l N Cụ thể nhiệt ñộ ngưng tụ tk tăng khoảng 100C thông số thay ñổi khoảng 20% Footer Page 14 of 126 Header Page 15 of 126 15 Chương TÍNH TOÁN SO SÁNH HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT CỦA CÁC LOẠI THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 3.1 HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT CỦA CÁC LOẠI THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SỬ DỤNG MÔI CHẤT NH3 Hệ số truyền nhiệt ñược tính theo công thức: k= (3-1) ,W / m K d2 1 + ln + πd1α1 2πλ d1 πd 2α 3.1.1 Bình ngưng ống chùm nằm ngang * Xác ñịnh hệ số tỏa nhiệt phía môi trường Xác ñịnh hệ số tỏa nhiệt ngưng tụ môi chất TBNT Bình ngưng ống chùm nằm ngang môi chất NH3 có cấu tạo ống thép chịu lực Do ñó α1 ñược tính theo công thức: ∆i.ρ λ3 g ' (3-2) α1 = 0,724 ψ ν θ n d h Xác ñịnh hệ số tỏa nhiệt phía môi trường giải nhiệt Hệ số tỏa nhiệt α2 ñược xác ñịnh theo: α = Nu.λ / d (3-5) Hệ số truyền nhiệt k ñược tính sau: k= πd1 0,72 d2 + ln + 2πλ d1 ∆i.ρ λ3 g ' ψ h ν θ n d ,W / m K  Pr f    Prw  π 0,021 Re 0,8 Pr 0, 43  0, 25 ε l ε R λ 3.1.2 Bình ngưng ống vỏ thẳng ñứng k= 1 d2 + ln + 4/ 0,25 2πλ d1   Pr    H θ r.µ  π.0,021.Re0,8 Pr0,43 f  εl εR.λ πd1400 1+0,625Pr0,5  n −1  H.θn   Prw  (H.θn ) th  ,W / m2 K 3.1.3 Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống Hệ số truyền nhiệt k thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống ñược tính giống thiết bị ngưng tụ kiểu ống chùm nằm ngang Footer Page 15 of 126 Header Page 16 of 126 16 3.1.4 Thiết bị ngưng tụ kiểu bay k= 1 d ln + + , 63 πλ d π , Re Pr , 48 λ r ν λ πd 4,99 µ ∆ t d ,W / m K (3-28) 3.1.5 Dàn ngưng kiểu tưới Giống dàn ngưng kiểu bay 3.1.6 Dàn ngưng giải nhiệt không khí k= ,W / m K 1 d2 + ln + πd1.2100.θ a−0 ,167 d tr−0, 25 2πλ d1 π α d (3-35) 3.2 HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT CỦA CÁC LOẠI THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SỬ DỤNG MÔI CHẤT FRÊON 3.2.1 Bình ngưng ống chùm nằm ngang k= πd1 0.72 ∆i.ρ λ g ' ψ h ψ c ν θ n d d + ln + 2πλ d1 π d 2α ,W / m K (3-46) 3.2.2 Bình ngưng ống vỏ thẳng ñứng Hệ số k ñược tính giống bình ngưng ống vỏ thẳng ñứng NH3 3.2.3 Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống k= ,W/ m2K 1 d2 (3-51) + ln + 0,25 2πλ d1 r.ρ.λ3.g 0,15 0,8 0,43 Prf  0,25qtr πd1.0,724 π.0,021Re Pr   εl.εR.λ ν.θn.dng  Prw  3.2.4 Thiết bị ngưng tụ kiểu bay k= 1 d + ln + , 63 2πλ d1 π 0,1 Re Pr 0, 48 λ r.ν λ πd1 6,474 µ.∆t.d1 Footer Page 16 of 126 ,W / m K (3-54) Header Page 17 of 126 17 3.2.5 Dàn ngưng kiểu tưới Hệ số k ñược tính giống dàn ngưng kiểu bay freon 3.3 MỘT SỐ VÍ DỤ VỀ TÍNH HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT K CỦA CÁC THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 3.3.1 Ví dụ 1: Tính k thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống hệ thống lạnh sử dụng môi chất R22 Biết Qk = 25kW, tk = 30, 35, 40, 450C, nhiệt ñộ nước vào t’n = 300C, nhiệt ñộ nước t”n = 350C * Trường hợp tk = 300C Kết quả: k = 1198 W/m2K Bảng 3.3 Kết tính toán cho trường hợp tk khác tk, 0C k, W/m K 30 35 40 45 1198 1178 1153 1138 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ tk k Hình 3.2: Quan hệ tk = f(k) 3.3.2 Ví dụ 2: Tính k dàn ngưng giải nhiệt gió cho biết: Qk = 100kW, nhiệt ñộ không khí vào 300C, tk= 400C, môi chất lạnh R22 Kết quả: k = 43 W / m K 3.3.3 Ví dụ 3: Tính k bình ngưng ống vỏ thẳng ñứng Cho biết Qk = 100kW tk = 400C, nhiệt ñộ nước lạnh vào tw1 = 300C, NH3 Kết quả: k = 940 W / m2 K Footer Page 17 of 126 Header Page 18 of 126 18 3.3.4 Ví dụ 4: Tính k bình ngưng kiểu tưới quạt Cho biết Qk = 75kW, tk=410C, nhiệt ñộ nước lạnh vào tw1=300C, NH3 Kết quả: k = 826 W / m2 K 3.4 KẾT LUẬN Bảng 3.4 Tổng hợp kết tính toán Thiết bị ngưng tụ Hệ số truyền Hệ số truyền nhiệt tính toán nhiệt tra bảng ktt , W/m2K [4] kss , W/m2K Thiết bị ngưng tụ ống lồng ống Dàn ngưng giải nhiệt không khí 1776 43 1600÷1800 30 Bình ngưng ống vỏ thẳng ñứng 940 800 Thiết bị ngưng tụ kiểu tưới 826 700 ÷ 930 - Qua nghiên cứu ta thấy tăng nhiệt ñộ ngưng tụ hệ số truyền nhiệt giảm, trung bình tăng 10oC k giảm khoảng 8% - Việc tính toán k ñối với toán phức tạp ta phải tiến hành xác ñịnh hệ số tỏa nhiệt phía ống ống α1, α2 - Hệ số tỏa nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố Chính việc tính toán phải ñi ñôi với giả thiết hình dạng bề mặt trao ñổi nhiệt, hình dạng kết cấu thiết bị ngưng tụ Sau ñó tính toán mật ñộ dòng nhiệt phía ống ống với ẩn số hiệu nhiệt ñộ vách ∆tv, lập hệ phương trình q1= f(∆tv), q2 = (∆tv), giải hệ phương trình ñồ thị ñể tìm kết - Dựa vào bảng tổng hợp kết tính toán ta thấy việc tính toán k ví dụ với kết tương ñối phù hợp so với giá trị kinh nghiệm tài liệu Tuy nhiên, thiết bị thiết bị ngưng tụ kiểu bay có hệ số truyền nhiệt lớn nhất, dàn ngưng giải nhiệt không khí hiệu trao ñổi nhiệt Do ñó, thiết kế nên ưu tiên sử dụng kiểu bay xét hiệu trao ñổi nhiệt Footer Page 18 of 126 Header Page 19 of 126 19 Chương ĐÁNH GIÁ, PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG CỦA CÁC PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG THIẾT BỊ NGƯNG TỤ KHÁC NHAU 4.1 TÍNH TOÁN SO SÁNH CÁC PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG THIẾT BỊ NGƯNG TỤ KHÁC NHAU TRONG HỆ THỐNG LẠNH CẤP 4.1.1 Tính toán so sánh hệ thống lạnh cấp môi chất R22 Bài toán Tính toán thiết bị ngưng tụ cho kho lạnh 100 Biết hệ thống lạnh sử dụng môi chất R22 với công suất lạnh Q0 = 10kW, t0 = 220C, tqn = -150C, tk = 450C, tql = 350C A Phương án 1: Sử dụng dàn ngưng giải nhiệt gió Sơ ñồ chu trình biểu diễn ñồ thị T-s lgp-h: Hình 4.1: Đồ thị lgp-h T-s chu trình cấp Tính toán chu trình: Bảng 4.1 Các ñiểm nút chu trình cấp môi chất R22, tk=450C 1’ Nhiệt ñộ t, C -22 -15 86 45 -22 Áp suất p, bar 2,26 2,26 17,29 17,29 2,26 Entanpy, kJ/kg 697 703 757 556 556 - 0,1 - - - Thể tích riêng, m3/kg Footer Page 19 of 126 Header Page 20 of 126 20 Bảng 4.2 Kết tính toán chu trình cấp R22, tk=450C Đại lượng TT Đáp số Công thức q0 = h1, − h4 q0 = 144 kJ / kg m = Q0 / q0 m = 0,106 kg / s Năng suất nhiệt riêng qk = h2 − h3 qk = 201 kJ / kg Nhiệt thải TBNT Qk = m.q k Qk = 21,3 kW l = h2 − h1 ε = q0 / l l = 54 kJ / kg N s = m.l N s = 5,72 kW Công suất thị N i = N s /η i Ni = 6,7 kW Công suất ma sát N ms = p mz m.v1 N ms = 0,5 kW 10 Công suất hữu ích Ne = N i + N ms Ne = 7,2 kW 11 Công suất tiếp ñiện N el = Ne / η td η el N el = kW Năng suất lạnh riêng Lưu lượng nén qua máy nén Công nén riêng Hệ số lạnh Công nén ñoạn nhiệt ε = 2,6 Tính toán thiết bị ngưng tụ: Kết F= Qk 21,3.103 = = 49,8 m q 328 B Phương án 2: Sử dụng bình ngưng ống chùm nằm ngang giải nhiệt nước Từ phương án ta tính ñược diện tích bề mặt trao ñổi nhiệt dàn ngưng không khí 49,8 m2 Khi ta sử dụng bình ngưng ống chùm nằm ngang tk giảm kéo theo số thông số khác thay ñổi theo chiều hướng có lợi ( F ↓, N e ↓, ε ↑, ) Điều ñược thể rõ qua phần phân tích ñây: - Xác ñịnh nhiệt ñộ ngưng tụ diện tích bề mặt trao ñổi nhiệt: Chọn bình ngưng dùng nước giếng khoan có nhiệt ñộ vào tw1=270C Nhiệt ñộ nước ra: t w = 27 + = 32 C Footer Page 20 of 126 Header Page 21 of 126 21 Nhiệt ñộ ngưng tụ: t k = t w + ∆t = 32 + = 380 C Hệ số truyền nhiệt k = 700 W / m K Diện tích bề mặt truyền nhiệt: F = Qk = 21,3.10 = 5,1 m k ∆t 700.6 -Tính toán chu trình ứng với tk = 38 C Bảng 4.4 Kết tính toán chu trình cấp R22, tk=380C Năng suất lạnh riêng q0 = h − h4 Đáp số q0 = 150 kJ / kg Năng suất nhiệt riêng qk = h2 − h3 qk = 203 kJ / kg Qk Qk = 21,3 kW Lưu lượng nén qua MN m = Qk / qk m = 0,105 kg / s Công nén riêng l = h2 − h1 l = 47 kJ / kg Hệ số lạnh ε = q0 / l ε = 3,2 Công nén ñoạn nhiệt N s = m.l N s = 4,9 kW Công suất thị N i = N s / ηi Ni = 5,8 kW Công suất ma sát N ms = pmz m.v1 N ms = 0,5 kW 10 Công suất hữu ích Ne = N i + N ms N e = 6,3 kW 11 Công suất tiếp ñiện N el = Ne / ηtd ηel N el = kW TT Đại lượng Nhiệt thải dàn ngưng Công thức , Nhận xét: Cùng hệ thống cấp môi chất R22 ta sử dụng bình ngưng ống chùm nằm ngang giải nhiệt nước thì: - Nhiệt ñộ ngưng tụ tk giảm xuống 380 C - Công nén giảm: ∆N e = − = kW - Hệ số lạnh tăng: ∆ε = 3,2 − 2,6 = 0,6 - Diện tích bề mặt trao ñổi nhiệt giảm: ∆F = 49,8 − 5,1 = 44,7 m2 4.1.2 Tính toán so sánh hệ thống lạnh cấp sử dụng NH3 Bài toán: Tính toán thiết bị ngưng tụ cho máy ñá 10 tấn/ngày Biết hệ thống sử dụng chu trình cấp môi chất NH3 với công suất lạnh Q0 = 70kW, t0 = -150C, tqn = -100C, tk = 450C Footer Page 21 of 126 Header Page 22 of 126 22 A Phương án 1: Sử dụng dàn ngưng giải nhiệt gió B Phương án 2: Sử dụng bình ngưng ống chùm nằm ngang giải nhiệt nước Nhận xét: Cùng hệ thống cấp môi chất R22 ta sử dụng bình ngưng ống chùm nằm ngang giải nhiệt nước thì: - Nhiệt ñộ ngưng tụ tk giảm xuống 380C - Công nén giảm: ∆N el = 29,1 − 26 = 3,1 kW - Hệ số lạnh tăng: ∆ε = 3,9 − 3,4 = 0,5 - Diện tích bề mặt trao ñổi nhiệt giảm: F = 306 − 19,2 = 286,8 m 4.2 TÍNH TOÁN SO SÁNH CÁC PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG THIẾT BỊ NGƯNG TỤ KHÁC NHAU TRONG HỆ THỐNG LẠNH CẤP 4.2.1 Tính toán so sánh hệ thống lạnh cấp sử dụng NH3 Bài toán Tính toán thiết bị ngưng tụ cho tủ cấp ñông 1000kg/mẻ Biết hệ thống sử dụng chu trình cấp, tiết lưu, làm mát trung gian hoàn toàn, bình trung gian có ống xoắn môi chất NH3 với công suất lạnh Q0 = 80kW, t0 = -400C, tqn = -300C, tk = 450C, tql = 300C A Phương án 1: Sử dụng dàn ngưng giải nhiệt gió B Phương án 2: Sử dụng bình ngưng ống chùm nằm ngang giải nhiệt nước Nhận xét: Cùng hệ thống cấp môi chất NH3 ta sử dụng bình ngưng ống chùm nằm ngang giải nhiệt nước thì: - Nhiệt ñộ ngưng tụ tk giảm xuống 380C - Công nén giảm: ∆N el = 53,1 − 49,8 = 3,3 kW - Hệ số lạnh tăng: ∆ε = 2,5 − 2,3 = 0,2 - Diện tích bề mặt trao ñổi nhiệt giảm: ∆F = 482 − 24 = 458 m Footer Page 22 of 126 Header Page 23 of 126 23 4.2.2 Tính toán so sánh hệ thống lạnh cấp sử dụng R22 Bài toán Tính toán thiết bị ngưng tụ cho tủ cấp ñông 1000kg/mẻ Biết hệ thống sử dụng chu trình cấp, tiết lưu, làm mát trung gian hoàn toàn, bình trung gian có ống xoắn môi chất R22 với công suất lạnh Q0 = 80kW, t0=-400C, tqn =-150C, tk =450C, tql =300C A Phương án 1: Sử dụng dàn ngưng không khí B Phương án 2: Sử dụng bình ngưng ống chùm nằm ngang giải nhiệt nước Nhận xét: Cùng hệ thống cấp môi chất R22 ta sử dụng bình ngưng ống chùm nằm ngang giải nhiệt nước thì: - Nhiệt ñộ ngưng tụ tk giảm xuống 380C - Công nén giảm: ∆N el = 61,5 − 59 = 2,5 kW - Hệ số lạnh tăng: ∆ε = 2,15 − 2,03 = 0,12 - Diện tích bề mặt trao ñổi nhiệt giảm: ∆F = 470 − 30,2 = 439,8 m 4.3 PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ KINH TẾ KHI SỬ DỤNG CÁC LOẠI THIẾT BỊ NGƯNG TỤ KHÁC NHAU Trong phần ta tiến hành nghiên cứu hiệu lượng hàng năm loại thiết bị ngưng tụ hệ thống lạnh tức tính toán mức chi phí hàng năm hệ thống lạnh Giả sử năm hệ thống hoạt ñộng 365 ngày, ngày 24h, khấu hao thiết bị vòng năm, giá ñiện tiêu thụ 2000 ñồng/1kWh 4.3.1 Xét hệ thống lạnh cấp sử dụng môi chất R22 * Theo phương án phần 4.1.1 ta tính ñược dàn ngưng giải nhiệt gió kho lạnh có: - Diện tích bề mặt trao ñổi nhiệt 49,8 m2 - Công suất tiếp ñiện Nel = kW - Theo giá thị trường thiết bị có giá 20.000.000 ñồng Footer Page 23 of 126 Header Page 24 of 126 24 Như vậy: - Chi phí ñiện hàng năm là: N = N el 300 ngày h 24 = 8.24.365 = 70080kWh / nă m nă m ngày - Chi phí tiền ñiện: T1 = N.2000 = 70080.2000 = 140.160.000 ñồng/năm - Khấu hao thiết bị hàng năm là: T2 = 20.000.000 / = 2.500.000 ñồng/năm Tổng chi phí hàng năm là: T = T1 + T2 = 142.660.000 ñồng/năm * Theo phương án phần 4.1.1 ta tính ñược bình ngưng ống vỏ nằm ngang kho lạnh có: - Diện tích bề mặt trao ñổi nhiệt 5,1 m2 - Công suất tiếp ñiện Nel = kW - Theo giá thị trường thiết bị có giá 60.000.000 ñồng Tương tự ta có tổng chi phí hàng năm T’ = 130.140.000 ñồng/năm Vậy sử dụng bình ngưng ống vỏ năm tiết kiệm ñược: ∆T = T–T’ = 142.660.000–130.140.000 = 12.520.000 ñồng/năm 4.3.2 Xét hệ thống lạnh cấp sử dụng môi chất NH3 ∆T = T – T’ = 514.832.000–464.870.000= 49.962.000 ñồng/năm 4.3.3 Xét hệ thống lạnh cấp sử dụng môi chất R22 ∆T=T–T’=1.088.855.000–1.053.280.000= 35.573.000 ñồng/năm 4.3.4 Xét hệ thống lạnh cấp sử dụng môi chất NH3 ∆T = T – T’ = 937.812.000–884.370.000 = 53.441.000 ñồng/năm Footer Page 24 of 126 Header Page 25 of 126 25 4.4 NHẬN XÉT Bảng 4.17 Tổng hợp kết tính toán thông số hệ thống lạnh Thông số N tk F Chi phí/năm ε ( C) (kW) (m2) T (ñồng) Thiết bị ngưng tụ Dàn ngưng giải nhiệt 45 không khí, môi chất NH3 Bình ngưng ống chùm Chu 38 nằm ngang, môi chất NH trình Dàn ngưng giải nhiệt 45 1cấp không khí, môi chất R22 Bình ngưng ống chùm nằm ngang, môi chất R22 Dàn ngưng giải nhiệt không khí, môi chất NH3 Chu Bình ngưng ống chùm trình nằm ngang, môi chất NH3 Dàn ngưng giải nhiệt cấp không khí, môi chất R22 Bình ngưng ống chùm nằm ngang, môi chất R22 3,4 29,1 306 514.832.000 3,9 26 19,2 464.870.000 2,6 49,8 142.660.000 38 3,2 5,1 45 2,3 53,1 482 937.812.000 38 2,5 49,8 45 2,2 61,5 470 1.088.855.000 38 2,0 59 24 130.140.000 884.370.000 30,2 1.053.280.000 *Qua nghiên cứu rút kết luận sau: - Khi chọn thiết bị ngưng tụ kiểu bình ngưng giải nhiệt nước thay cho kiểu giải nhiệt không khí tk giảm 70C (khoảng 16%) - Về mặt hiệu kinh tế: chọn thiết bị ngưng tụ kiểu bình ngưng giải nhiệt nước thay cho kiểu giải nhiệt không khí hàng năm tiết kiệm ñược khoảng chi phí ñáng kể khoảng 10% ñối với hệ thống lạnh cấp 5% ñối với hệ thống lạnh cấp Footer Page 25 of 126 Header Page 26 of 126 26 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI KẾT LUẬN Sau thời gian thực hiện, luận văn ñã hoàn thành ñược công việc sau ñây: - Qua nghiên cứu, phân tích ñặc ñiểm kỹ thuật loại thiết bị ngưng tụ khác hệ thống lạnh nhận thấy: + Đối với hệ thống lạnh nhỏ sử dụng dàn ngưng không khí hiệu trao ñổi nhiệt không cao tiện lợi việc lắp ñặt, chi phí thấp nên sử dụng loại thích hợp + Đối với bình ngưng ống chùm ngang thiết bị có hiệu trao ñổi nhiệt ổn ñịnh, phụ thuộc vào nhiệt ñộ môi trường, mật ñộ dòng nhiệt lớn q = 3000 ÷ 6000W/m2 Do ñó thích hợp ñối với hệ thống lạnh trung bình lớn + Với bình ngưng tụ kiểu bay thiết kế dàn ngưng công suất lớn lớn mà không hạn chế lý So với loại dàn ngưng khác loại tiêu tốn nước hơn, nước sử dụng theo kiểu tuần hoàn Hơn giải nhiệt kết hợp nước không khí hiệu cao Do ñó, loại thích hợp ñối với hệ thống lạnh lớn lớn - Nghiên cứu ảnh hưởng tk tới thông số nhiệt chu trình cấp ñể có cách nhìn nhận xác vai trò thiết bị ngưng tụ ñến hiệu kinh tế toàn hệ thống Cụ thể: + Nhiệt ñộ ngưng tụ tk tỷ lệ thuận với l chi phí lượng N; tỷ lệ nghịch với ε, q0 qk + Dựa vào kết tính toán ta thấy ñược tk ảnh hưởng lớn ñến thông số sau: ε, l N Cụ thể nhiệt ñộ ngưng tụ tk tăng khoảng 100C thông số thay ñổi khoảng 10% Vì Footer Page 26 of 126 Header Page 27 of 126 27 cần phải hạn chế vận hành hệ thống tk lớn vừa an toàn vừa có hệ số lạnh ε nhỏ + Đối với môi chất R22 tk ảnh hưởng ñến suất nhiệt riêng qk với tỉ lệ lớn nhiều so với môi chất NH3 - Qua kết tính toán ta thấy giá trị hệ số truyền nhiệt ví dụ tương ñối phù hợp so với giá trị kinh nghiệm tài liệu Tuy nhiên, thiết bị thiết bị ngưng tụ kiểu bay có hệ số truyền nhiệt lớn so với loại khác Do ñó, thiết kế nên ưu tiên sử dụng kiểu bay xét hiệu trao ñổi nhiệt - Qua nghiên cứu, phân tích ñánh giá hiệu lượng phương án sử dụng thiết bị ngưng tụ khác hệ thống lạnh cấp hai cấp Có thể khẳng ñịnh hệ thống lạnh việc chọn loại thiết bị ngưng tụ khác thông số nhiệt chu trình khác Cụ thể chọn thiết bị ngưng tụ kiểu bình ngưng giải nhiệt nước thay cho kiểu giải nhiệt không khí chu trình thay ñổi theo chiều hướng có lợi sau: + Nhiệt ñộ ngưng tụ giảm 70C tương ñương khoảng 16% + Về mặt hiệu kinh tế: chọn thiết bị ngưng tụ kiểu bình ngưng giải nhiệt nước thay cho kiểu giải nhiệt không khí hàng năm tiết kiệm ñược khoảng chi phí ñáng kể khoảng 10% giá trị thiết bị ngưng tụ ñối với hệ thống lạnh cấp 5% ñối với hệ thống lạnh cấp HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Tuy ñề tài số vấn ñề cần tiếp tục nghiên cứu phát triển: - Lập trình tính toán thiết kế loại thiết bị ngưng tụ - Nghiên cứu sử dụng loại thiết bị ngưng tụ kiểu không truyền thống như: ống lồng ống, kiểu vv Footer Page 27 of 126 ... CỦA CÁC PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG THIẾT BỊ NGƯNG TỤ KHÁC NHAU 4.1 TÍNH TOÁN SO SÁNH CÁC PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG THIẾT BỊ NGƯNG TỤ KHÁC NHAU TRONG HỆ THỐNG LẠNH CẤP 4.1.1 Tính toán so sánh hệ thống lạnh cấp... TÍNH TOÁN SO SÁNH CÁC PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG THIẾT BỊ NGƯNG TỤ KHÁC NHAU TRONG HỆ THỐNG LẠNH CẤP 4.2.1 Tính toán so sánh hệ thống lạnh cấp sử dụng NH3 Bài toán Tính toán thiết bị ngưng tụ cho tủ cấp... quan thiết bị ngưng tụ hệ thống lạnh Chương Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt ñộ ngưng tụ tới hiệu hệ thống lạnh Chương Tính toán so sánh hệ số truyền nhiệt loại thiết bị ngưng tụ Chương Đánh giá, phân