Nghiên cứu khả năng ứng dụng quả cầu tích lạnh tự sản xuất trong nước để tiết giảm chi phí năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí trung tâm

Phương pháp tích trữ lạnh đã được sử dụng rất nhiều trên thế giới nhưng lại rất hạn chế ở Việt Nam với lý do là giá thành nhập khẩu khá cao làm tăng chi phí đầu tư. Vì vậy,trong bài báo này tác giả sẽ nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm quả cầu tích lạnh với mong muốn làm cơ sở cho việc chế tạo và sử dụng rộng rãi tại Việt Nam góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của đất nước.

TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 16, SỐ K2- 2013 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG QUẢ CẦU TÍCH LẠNH TỰ SẢN XUẤT TRONG NƯỚC ĐỂ TIẾT GIẢM CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRUNG TÂM Nguyễn Thế Bảo(1), Nguyễn Duy Tuệ(2), Đào Huy Tuấn(3) (1) Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM (2) Trường Đại Học Tôn Đức Thắng (3) Trường Cao đẳng Nghề GTVT TWIII (Bài nhận ngày 10 tháng 12 năm 2012, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 07 tháng 06 năm 2013) TĨM TẮT: Phương pháp tích trữ lạnh sử dụng nhiều giới lại hạn chế Việt Nam với lý giá thành nhập cao làm tăng chi phí đầu tư Vì vậy,trong báo tác giả nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm cầu tích lạnh với mong muốn làm sở cho việc chế tạo sử dụng rộng rãi Việt Nam góp phần nâng cao hiệu sử dụng lượng đất nước TỔNG QUAN nghệ tích trữ băng tan chảy bên ngồi ống, Trong năm gần đây, cơng trình cơng nghệ tích trữ lạnh sử dụng tháp đá, cơng cao ốc xây dựng nhiều Việt Nam nghệ tích trữ băng dạng bột, cơng nghệ sử dụng Điều gắn liền với việc sử dụng hệ thống cầu tích trữ lạnh điều hòa khơng khí trung tâm nơi Việc nghiên cứu tích trữ lạnh tiến Thế tiêu hao lượng cho hành nhiều giới chẳng hạn như: Bo He, lại chiếm đến khoảng 40% lượng sử dụng Fredrik Setterwall [1] nghiên cứu sử dụng tòa nhà Điều làm tăng chi phí vận chất Parrafin để nâng cao hiệu cho việc hành gia tăng nhu cầu sử dụng điện tích trữ lạnh; Frank Bruno [2] nghiên cứu cao điểm,dẫn đến tình trạng phương pháp nhằm tăng hiệu tích trữ cân việc tiêu thụ điện lớn cao lạnh; Amir Faghri [3] nghiên cứu việc làm tăng điểm thấp điểm Ngoài chưa kể đến hiệu truyền nhiệt tích trữ lạnh việc cơng trình điều hòa khơng khí thường sử dụng cánh trao đổi nhiệt; Bo He[4] thiết kế điều kiện phụ tải đỉnh làm giảm nghiên cứu vật liệu biến đổi pha để sử dụng hiệu kinh tế sử dụng Một trong hệ thống tích trữ lạnh; M.Heling [5] phương pháp mang lại hiệu cho việc sử nghiên cứu sử dụng vật liệu composit có hệ số dụng điện làm giảm thiểu dẫn nhiệt lớn làm chất biến đổi pha….Ngoài ra, phát thải CO2 để bảo vệ mơi trường việc tích trữ lạnh nhiều công ty sản phương án tích trữ lạnh với số cơng nghệ xuất : Crisophia (Pháp), Calmac, Fafco, tích trữ lạnh thường sử dụng thực tế Dunham-Bush, MaximICE… Mỹ Các sản sau: cơng nghệ tích trữ lạnh nước, cơng phẩm hãng tiếng Trung quốc Trang 73 Science & Technology Development, Vol 16, No.K2- 2013 YUANPAI, WANGPAI, Việc xác định thời gian đông đặc nước TONGFANG…Thế nhưng, sản phẩm việc quan trọng tính tốn hệ thống tích tốn sử dụng Việt Nam nên để trữ lạnh Thời gian đông đặc phải đảm bảo ứng dụng điều khó khăn Trước vấn khơng vượt thời gian phụ tải đáy đề trên, tác giả Nguyễn Thế Bảo &Trương ngành điện lực khoảng thời gian giá Hồng Anh [6] nghiên cứu chế tạo bình tích thành điện giảm Thời gian đơng đặc trữ lạnh dạng băng tan ngồi ống để làm giảm nước phụ thuộc vào đường kính cầu mà chi phí sản xuất, giúp cho việc ứng dụng tích ta sử dụng Ngồi phụ thuộc vào nhiệt trữ lạnh rộng rãi Thế nhưng, phương pháp độ chất tải lạnh nạp tải Vì vậy, ta phải lựa tích trữ dạng băng tan chảy có số hạn chế chọn nhiệt độ chất tải lạnh đường kính như: tổn thất áp suất phía chất tải lớn cầu cho mang lại hiệu kinh tế kỹ nạp tải cơng suất bình lớn, tốn diện thuật cao Vì nhiệt trở lớp kim loại tích lắp đặt, không linh hoạt cần thay đổi làm cầu tích lạnh nhỏ nên ta bỏ công suất, phải sử dụng thiết bị khuấy nước qua ảnh hưởng bề dày vật liệu; ta có xả tải Do viết này, tác giả cơng thức tính thời gian tạo băng theo [8] nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm để đánh giá sau: khả sử dụng cầu tích trữ lạnh với PCM ( phase change meterial ) nước tự sản   L  d  d t (2.1) xuất nước với ưu điểm so với phương pháp băng tan chảy bên ngồi như: tổn Trong đó: thất áp suất thấp chất tải lạnh chảy qua  : thời gian đông đá ( s ) lớp cầu lúc nạp tải [7], không tốn nhiều diện t : nhiệt độ chất tải lạnh ( 0C ) tích lắp đặt, linh hoạt cần thay đổi công L : nhiệt ẩn hóa rắn nước đá theo thể suất, không cần phải sử dụng thiết bị khuấy nước xả tải tích 306.106 ( J/m3) d: hệ số dẫn nhiệt đá 2,32 (W/m.độ) PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU đ: bề dày đá ( m ) Chúng tiến hành việc nghiên cứu lý thuyết để tìm thời gian đông đặc nước cầu, xây dựng cơng thức tính tốn chọn lựa cầu tích trữ lạnh Sau đó, Như vậy, ta đánh giá độ xác cơng thức dựa kết thí nghiệm phần sau lý thuyết kiểm nghiệm từ 2.2 Cơng thức tính tốn cầu tích lạnh mơ hình thực tế sử dụng nước làm chất đơng đặc 2.1 Tính tốn thời gian đông đặc nước cầu Trang 74 Thể tích chứa nước cầu: Vnuoc  4. R 0,9 (2.2) TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 16, SOÁ K2- 2013 Với : Qcau  R : bán kính cầu, ( m ) 2,1.(t dd  t c ).Vnuoc  3600 (2.6) 0,9 : hệ số điền đầy thể tích Trong đó: Năng suất lạnh biến đổi pha Qcâu3 : Năng suất lạnh nhiệt trạng thái rắn cầu, ( kWh/trái ) cầu: V  336  nuoc 3600 Qcau1 tđđ : nhiệt độ đông đặc nước, ( 0C ) (2.3) tc : nhiệt độ cuối nhiệt độ đóng băng, ( 0C ) Với: Qcầu1 : Năng suất lạnh biến đổi pha số lượng cầu cần dùng: cầu, ( kWh/trái )  Với suất lạnh tối đa nạp tải, ta có : Khối lượng riêng nước, ( kg/m3 ) n Vnước: Thể tích chứa nước cầu, ( m3 ) Qst Qcau (2.7) Thể tích bồn chứa: Năng suất lạnh nhiệt trạng thái lỏng cầu: Qcau  C p (tcc  t dd ).Vnuoc  3600 (2.4) V 4.n. R 3. (2.8) Trong đó: R : bán kính cầu, ( m ) Với : Qcâu2 : Năng suất lạnh nhiệt trạng : hệ số điền đầy cầu bình thái lỏng cầu, ( kWh/trái ) Cp : Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp khoảng 0,6~0,65 V : thể tích bồn chứa, ( m3 ) nước, ( kJ/kg.độ ) tcc n : số lượng cầu : Nhiệt độ cuối nước Tổn thất áp suất chất tải lạnh qua bình chứa cầu theo công thức Ergun để cầu, ( 0C ) tđđ : Nhiệt độ đông đặc nước, ( 0C ) tính tổn thất áp suất mét chiều cao khối đệm (Pa/m) –TL[7] : Năng suất tích trữ lạnh cầu ( kWh/trái ): Qcầu = Qcâu1 + Qcầu (2.5) Ngồi cầu tích trữ nhiệt độ đóng băng ta có nhiệt trạng P 150..(1   ) v0 1,75. (1   ).v   L D  D. (2.9) D : đường kính cầu (m)  : hệ số trống thái rắn cầu: µ : độ nhớt động lực học (Pa.s) Trang 75 Science & Technology Development, Vol 16, No.K2- 2013 v0 : vận tốc chất tải lạnh qua mặt cắt Năng suất tích trữ lạnh cầu : ngang bình, ( m/s ) Qcầu = Qcâu1 + Qcầu = 0,042 ( kWh/trái ) L: chiều cao lớp cầu (m) Hệ thống thiết kế với suất lạnh XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ THÍ 2637 W có khả xả tải Do đó, NGHIỆM VIỆC HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ suất lạnh cần tích trữ Qst = 10548 Wh THỐNG TÍCH TRỮ LẠNH Số lượng cầu cần sử dụng n=251 trái Mơ hình thiết lập nhằm kiểm nghiệm Để bù trừ tổn thất lạnh qua bình tích trữ, đường khả sử dụng công thức Trong ống, bơm … ta chọn số lượng cầu 290 thời gian làm đá thông số quan trọng cần trái Quả cầu chế tạo Inox, dày đánh giá 0,3mm; gia công máy dập để tạo thành nửa hình cầu; sau hàn lại Ở cầu sử dụng thí nghiệm có đường kính 95 mm lượng nước ta nạp 385 ml Sử dụng công thức từ (2.2) đến (2.6) ta có kết : Bơm Bơm Hình Sơ đồ thí nghiệm hệ thống tích trữ lạnh Ghi chú: : Bình bay hơi; : Máy nén lạnh; : Thiết bị ngưng tụ; : Bình dãn nở; : Bình tích trữ lạnh F2 : lưu lượng kế; V1…7 : van chặn; T1…3 : nhiệt kế Trang 76 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 16, SỐ K2- 2013 Hình Mơ hình hệ thống Chiller có sử dụng bình tích trữ lạnh nhiều Ta tiến hành đánh giá số thông số BÀN LUẬN CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC sau: Hệ thống vận hành với kết thu 15:03 14:33 14:02 13:32 13:02 12:32 12:01 11:31 11:01 10:31 10:00 9:30 9:00 8:30 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 8:00 Phần trăm băng tạo thành (%) tương đối ổn định, khơng có khác biệt Thời gian Hình Biểu đồ biểu diễn tốc độ tạo băng cầu 4.1 Việc đánh giá thời gian tạo băng 11:00 ), đá hình thành đến khoảng 70% kiểm nghiệm đo đạc thực tế khối lượng cần thiết Nhưng q trình đóng Nhiệt độ glycol thay đổi khoảng từ - băng diễn từ vào với lớp đá 3oC đến -6o C Tốc độ tạo băng cầu ngày dày, làm giảm hệ số tăng nhanh đầu ( từ 9:15 đến truyền nhiệt cầu nên lớp đá bên Trang 77 Science & Technology Development, Vol 16, No.K2- 2013 bắt đầu đóng băng 1giờ, thời gian để nước khoảng sau đá đóng băng hồn đơng đặc hoàn toàn 6giờ Nhanh tiếng toàn cầu Như vậy, tổng thời gian để so với cơng thức tính tốn Như vậy, sử đơng đặc nước Trong thời gian hạ dụng cơng thức để tính tốn thời gian đông nhiệt độ nước nhiệt độ ban đầu đặc nước 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 -2 -4 -6 5:0 4:3 4:0 3:3 3:0 2:3 2:0 1:3 1:0 0:3 0:0 Nhiệt độ khơng khí vào FCU(oC) Nhiệt độ khơng khí FCU(oC) Nhiệt độ chất tải lạnh vào FCU(oC) Nhiệt độ chất tải lạnh FCU(oC) Nhiệt độ cầu (oC) 9:3 N hiệ t đ ộ ( o C ) tạo thành trở nên chậm dần, phải Thời gian Hình Biểu đồ biểu diễn thay đổi nhiệt độ chất tải lạnh không khí q trình xả tải Tốc độ tạo băng cầu tích lạnh tăng nhiệt độ nhanh Sau q trình tăng tương đồng so với thơng số hãng nhiệt độ chậm dần trao đổi nhiệt với Cryoge Quả cầu hãng chế tạo cầu tích lạnh Khoảng 4giờ sau nhiệt độ nhựa với đường kính 103mm; nở lại tăng nhanh đá cầu tan băng tạo hoàn tồn hồn tồn, lúc trao đổi nhiệt 4.2 Phân tích đánh giá số liệu với nước lạnh cầu, cuối trình xả tải trình xả tải nhiệt độ chất tải lạnh vào Ban đầu, nhiệt độ chất tải lạnh thấp khoảng -50C đưa qua dàn FCU, trao đổi nhiệt với khơng khí qua làm lạnh không FCU tăng đến 170C Độ chênh lệch nhiệt độ chất tải lạnh vào khỏi FCU khoảng từ 3~5 K trừ trường hợp lúc đầu xả khí xuống 7,30C Nhưng sau khoảng 45 phút tải nhiệt độ chất tải lạnh bình tích lạnh nhiệt độ chất tải lạnh vào FCU 00C Vì thấp làm suất lạnh FCU tăng cao, trình trao đổi nhiệt nên thời gian kết độ chênh lệch nhiệt độ vào khỏi FCU tăng đến 10K Càng cuối q trình xả Trang 78 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 16, SỐ K2- 2013 tải suất lạnh FCU giảm dần đá độ chênh lệch nhiệt độ khơng khí vào tan gần hết nên nhiệt độ chất tải lạnh vào FCU khỏi dàn lạnh nằm khoảng 12~18 tăng cao K Điều phù hợp ứng dụng cho hệ Như nhiệt độ khơng khí khỏi FCU thống điều hòa khơng khí trung tâm, đảm bảo trình xả tải biến thiên từ 0C ~ 18 0C cho trao đổi nhiệt không khí cấp vào Trong 4giờ đầu đá chưa tan hết nên phòng khơng khí phòng để đạt nhiệt nhiệt độ khơng khí khỏi FCU cao độ thích hợp khơng gian điều hòa 15 C, sau 2giờ nhiệt độ khơng khí tăng lên đến 180C đá tan hoàn toàn Nhìn chung 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 15:00 14:30 14:00 13:30 13:00 12:30 12:00 11:30 11:00 10:30 10:00 9:30 Phần trăm băng lại cầu (%) 4.3 Ngoài ta xét đến tốc độ tan băng cầu theo thông số thực nghiệm sau Thời gian Hình Tốc độ tan băng cầu tích lạnh theo thời gian Trong đầu, tốc độ tan băng nhanh khoảng 60% diện tích trao đổi nhiệt băng cầu lớn, sau lại tốc độ tan băng giảm dần diện tích bề mặt băng cầu nhỏ lại Khi nhiệt độ chất tải lạnh vào FCU tăng khoảng 3~4 0C nhiệt độ nước cầu giữ gần không thay đổi khoảng 0C tan băng hồn tồn nhiệt độ cầu tăng lên KẾT LUẬN Bài viết này, tác giả có số nhận xét việc sử dụng cầu tích lạnh sau: a Nhiệt độ chất tải lạnh dùng để nạp tải khoảng -5~-6 0C hợp lý đảm bảo cho thời gian đông đặc cầu ngắn, không làm hệ số COP giảm nhiều Đường kính cầu nên khoảng từ 90 mm đến 100mm nhằm giảm thời gian đông đá 10h ( thời gian phụ tải đáy ngành điện ) Trang 79 Science & Technology Development, Vol 16, No.K2- 2013 giá thành chế tạo cầu không lạnh thấp giảm điện tiêu thụ cho cao bơm ta chế tạo bình trữ lạnh có chiều b Thời gian tạo băng cầu tự sản cao lớn trường hợp diện tích lắp đặt hẹp xuất tương đồng so với cầu hãng d Ưu điểm khác sử dụng cầu tích Cryogel Do đó, đảm bảo việc ứng dụng lạnh khả thay đổi cơng suất bình thực tế tích trữ linh hoạt cách thêm hay bớt c Nhiệt độ khơng khí khỏi FCU xả cầu sẵn có, việc chế tạo dễ tải đảm bảo tốt cho việc sử dụng cho hệ thống dàng, không sử dụng máy móc chun điều hòa khơng khí trung tâm Do diện tích trao dụng hệ thống khác Ngồi bình tích đổi nhiệt cầu lớn so với trữ lạnh sử dụng cầu nhỏ gọn dạng phương pháp băng khác nên việc truyền khác việc lắp đặt linh hoạt Thế nhiệt dễ dàng, không cần sử dụng thiết bị việc chế tạo cầu cần kiểm tra khuấy bình tích trữ nên giảm chi phí vận kỹ lưỡng tránh bị hư hỏng, cầu phải đảm hành Ngoài ra, tổn thất áp suất qua bình trữ bảo kín để khơng cho chất tải lạnh tràn vào chất biến đổi pha chảy FEASIBILITY STUDY OF DOMESTIC COOLING STORAGE BALLS TO REDUCE THE ENERGY COST OF CENTRAL AIR CONDITIONING SYSTEM Nguyễn Thế Bảo(1), Nguyễn Duy Tuệ(2), Đào Huy Tuấn(3) (1) University of Technology, VNU-HCM (2) Ton Duc Thang University (3) The Central Vocational College of Transport No.3 ABTRACT: Although cooling storage system used broadly in the world, it is rarely applied in Viet Nam due to their high import expense that increase the initial cost For that reason, in this article, we study on theories, and experiments about cooling storage sphere with expect to create the base for populising it in our country That will contribute the efficiency of energy using to our country estimation, TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Department of Chemical Bo He, Fredrik Setterwall, Technical Engineering and Technology, Transport grade paraffin waxes as phase change Phenomena, materials for cool thermal storage and Technology, 100, 44 Stockholm, Sweden cool Trang 80 storage systems capital cost Royal Institute of TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 16, SỐ K2- 2013 [2] Nasrul Amri Mohd Amin, Martin Belusko, Phenomena, Frank Bruno, Optimisation of A Phase Technology, 100, 44 Stockholm, Sweden Change Thermal Storage System, World [3] Institute of M.Heling, S.Hiebler, F.Ziegler, Latent Academy of Science, Engineering and heat storage using a PCM graphit Technology 56 (2009) composite material Yuwen Zhang, Amir Faghri, Heat [6] Nguyễn Thế Bảo, Trương Hồng Anh, Transfer Enhancement in Latent Heat Nghiên cứu khả dùng cơng nghệ tích Thermal Energy Storage System by Using trữ lạnh dạng băng tan chảy ống an Tube, hệ thống điều hòa khơng khí Department of Mechanical Engineering, trung tâm, Tạp chí Phát triển KH&CN, University of Connecticut, Storrs, CT Tập 10, Số 02 (2007) External Radial Finned 06269-3139 [4] [5] Royal [7] Flow through packed beds, University of Bo He, Fredrik Setterwall, Technical Alberta, Department of Chemical and grade paraffin waxes as phase change Materials Engineering materials for cool thermal storage and cool storage estimation, systems Department capital of [8] Trần Đức Ba, Nguyễn Tấn Dũng, Các cost trình, thiết bị Cơng nghệ hóa học Chemical thực phẩm: Kỹ thuật lạnh, Nhà xuất Engineering and Technology, Transport đại học quốc gia Tp.HCM Trang 81 ... tốt cho việc sử dụng cho hệ thống dàng, khơng sử dụng máy móc chun điều hòa khơng khí trung tâm Do diện tích trao dụng hệ thống khác Ngồi bình tích đổi nhiệt cầu lớn so với trữ lạnh sử dụng cầu. .. [6] nghiên cứu chế tạo bình tích thành điện giảm Thời gian đơng đặc trữ lạnh dạng băng tan ngồi ống để làm giảm nước phụ thuộc vào đường kính cầu mà chi phí sản xuất, giúp cho việc ứng dụng tích. .. CỦA HỆ suất lạnh cần tích trữ Qst = 10548 Wh THỐNG TÍCH TRỮ LẠNH Số lượng cầu cần sử dụng n=251 trái Mơ hình thiết lập nhằm kiểm nghiệm Để bù trừ tổn thất lạnh qua bình tích trữ, đường khả sử dụng