Nghiên cứu xây dựng chương trình tính toán tháp giải nhiệt ứng dụng trong kỹ thuật lạnh và điều hòa không khí

Bài viết nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm phù hợp với lượng nhiệt thải bình ngưng của hệ thống lạnh, xây dựng các lưu đồ thuật toán và thiết lập chương trình tính toán mô phỏng tháp giải nhiệt. Chương trình cho phép người sử dụng có nhiều lựa chọn với nhiều công suất khác nhau, giúp rút ngắn thời gian tính toán và đạt độ chính xác cao nhất.

Nguyễn Cơng Vinh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 59 - 65 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN THÁP GIẢI NHIỆT ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT LẠNH VÀ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ Nguyễn Cơng Vinh, Nguyễn Lê Châu Thành* Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - ĐH Đà Nẵng TÓM TẮT Trong kỹ thuật lạnh điều hòa khơng khí, tháp giải nhiệt đóng vai trò quan trọng để làm mát nước bình ngưng Tuy nhiên, điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam, tháp giải nhiệt làm việc hiệu gây hạn chế cho tổ hợp hệ thống máy lạnh Để giải vấn đề này, cần phải nghiên cứu trình trao đổi nhiệt trao đổi ẩm phù hợp với lượng nhiệt thải bình ngưng hệ thống lạnh, hay nói cách khác tháp giải nhiệt phải thải tồn lượng nhiệt bình ngưng thải Mặt khác, cần tính tốn tối ưu mặt kinh tế nghĩa phải chọn tháp giải nhiệt cho tổng thể tiêu tốn điện để sản xuất đơn vị lạnh thấp Trong đó, để xác định đại lượng tháp giải nhiệt có sử dụng nhiều thông số, công thức phức tạp tốn nhiều thời gian Vì để thuận lợi cho việc này, xây dựng lưu đồ thuật tốn thiết lập chương trình tính tốn mơ tháp giải nhiệt Chương trình cho phép người sử dụng có nhiều lựa chọn với nhiều cơng suất khác nhau, giúp rút ngắn thời gian tính tốn đạt độ xác cao Từ khóa: Tháp giải nhiệt; hệ số trao đổi nhiệt; nhiệt độ; chương trình; hệ thống lạnh ĐẶT VẤN ĐỀ* Hiện nay, tháp giải nhiệt (TGN) thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp loại dùng đệm sử dụng rộng rãi, ngành điện lạnh; ngành nhựa; thủy hải sản; luyện kim; dược phẩm Đối với hệ thống lạnh, TGN thiết bị trao đổi nhiệt dùng để làm mát nước tuần hồn cho bình ngưng tụ cách bay phần nước vào khơng khí trao đổi nhiệt với khơng khí cho nước tiếp xúc trực tiếp với khơng khí mơi trường Cũng thiết bị trao đổi nhiệt khác, suất giải nhiệt TGN cố định mà thay đổi theo điều kiện làm việc Trong chi phí điện cung cấp cho máy nén, bơm nước, quạt gió, chi phí đầu tư ban đầu, chi phí vận hành… cần phải tính tốn kỹ để vừa đảm bảo mặt kỹ thuật vừa mặt kinh tế Nghĩa phải tính chọn tháp giải nhiệt cho tổng thể tiêu tốn điện để sản xuất đơn vị lạnh thấp Ở báo này, chủ yếu sâu nghiên cứu trình trao đổi nhiệt trao đổi ẩm TGN kiểu tròn ứng dụng kỹ thuật lạnh điều hòa khơng khí Dựa sở từ tài liệu, xây * Tel: 0989 296540, Email: nguyenlechauthanh@gmail.com dựng sơ đồ thuật toán, giao diện chương trình tính tốn thơng số tháp ngôn ngữ phần mềm Visual basic 6.0 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Cấu tạo nguyên lý hoạt động tháp giải nhiệt Hình Cấu tạo tháp giải nhiệt Tháp giải nhiệt thiết bị làm mát nước, dựa theo nguyên tắc tạo mưa làm mát gió Luồng khơng khí theo hướng ngược với lưu lượng nước Nước nóng sau khỏi bình ngưng đưa lên cao phun qua lỗ nhỏ tạo thành giọt nước, giọt nước rơi chắn tạo thành hạt nhỏ chảy thành lớp mỏng 59 Nguyễn Công Vinh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ qua lớp đệm từ xuống Mặt khác khơng khí từ ngồi tháp (là khơng khí ẩm mơi trường xung quanh chưa bão hòa, φ < 100%) nhờ quạt gió hút vào từ lên khỏi tháp Khơng khí tiếp xúc với nước thực q trình trao đổi nhiệt Nước tỏa nhiệt cho khơng khí, hạ thấp nhiệt độ quay bình ngưng Qúa trình truyền nhiệt nước khơng khí thực hai cách: cách thứ truyền nhiệt đối lưu chênh lệch nhiệt độ nước khơng khí; cách thứ hai truyền nhiệt truyền ẩm nghĩa nước bay vào khơng khí Thực tế TGN nhiệt truyền từ nước vào khơng khí cách bay chủ yếu [1] 189(13): 59 - 65 số tưới (m3/m2.h); ∆pk- trở kháng khối đệm (mm H2O); β- hệ số truyền ẩm (kg/m2.s); αhệ số tỏa nhiệt (W/m2.0K); ω- tốc độ khơng khí (m/s) Xác định thơng số nước khơng khí Khi khơng khí vào tháp có độ ẩm φ ≤ 100% nhiệt độ t’k ≥ tu , nghĩa nhiệt độ thấp khơng khí vào tháp t’k = tu Vậy điều kiện để kiểm tra chương trình, nhiệt độ nước khỏi tháp t”n phải lớn nhiệt độ nhiệt kế ướt khơng khí vào tháp tu chọn sau: - Nhiệt độ nước khỏi tháp: Cơ sở tính tốn Khi tính tốn TGN cần xem xét số giả thiết gần để tiện lợi q trình tính tốn, tên đại lượng đơn vị ký hiệu sau: - Hệ số trao đổi nhiệt trao đổi ẩm thơng số vật lý, nhiệt ẩn hóa hơi, nhiệt dung riêng khơng khí ẩm xem khơng đổi tồn diện tích (Fx) tiếp xúc khơng khí nước - Nhiệt độ màng nước bề mặt cắt ngang tháp xem nhiệt độ trung bình nước tiết diện (F) Qk- cơng suất bình ngưng (kW); η- hiệu suất tháp (%); ∆t- hiệu nhiệt độ vào (0C); Cknhiệt dung riêng khơng khí (kJ/kg.K); Cnnhiệt dung riêng nước (kJ/kg.K); t- nhiệt độ (0C); ε- hệ số dính ướt nước bề mặt đệm; φ- độ ẩm tương đối (%); B- áp suất khí trời (bar); I- entanpy (kJ/kg); d- độ chứa ẩm (kg ẩm/kg kk); v- thể tích tự khối đệm (m3/m3); f- bề mặt đơn vị thể tích khối đệm (m3/m2); μ- độ nhớt động lực khơng khí (N.s/m2); ρ- khối lượng riêng (kg/m3); g- gia tốc trọng trường (m/s2); νk độ nhớt động học khơng khí (m2/s); pbphân áp suất (bar); Re- hệ số Reynold; Ar- hệ số Arximed; M- mật độ tưới (m3/m2.h); Ψ- hệ 60 Hình Sơ đồ trao đổi nhiệt nước khơng khí tháp giải nhiệt t"n = tu + ∆t ; với ∆t = (3 ÷ 5) (1) - Nhiệt độ nước vào tháp: t 'n  t u  t 1  (2) - Lượng nước phun tháp lượng nước làm mát bình ngưng: Gn  Qk C n t 'n  t"n  (3) - Lượng khơng khí vào nhau: Qk (4) Gk  I' 'k  I'k C n t d ' 'k d 'k  - Lượng nước tưới bổ sung: Gbs = Gk(dk” – dk’) (5) Xác định thơng số tháp Để tính diện tích trao đổi nhiệt bề mặt đệm (F) ta phải biết hệ số truyền nhiệt kF Nguyễn Công Vinh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Việc xác định thông số phức tạp, ngồi q trình trao đổi nhiệt đối lưu xảy q trình trao đổi ẩm khơng khí nước Tuy nhiên, lý luận dựa sở là: lượng nhiệt trao đổi khơng khí nước (Q) bao gồm lượng nhiệt trao đổi đối lưu khơng khí khơ (Qđ) lượng nhiệt trao đổi qua việc trao đổi ẩm (Qa) Trên thực tế, (Qa) nhỏ nhiều so với Qđ [1], nên xem gần Q = Qđ Qđ = Gk.Ck(t”k - tk’) 189(13): 59 - 65 Đường kính chiều cao tháp tính chọn sở chiều cao đường kính đệm đồng thời đảm bảo số yêu cầu như: khoảng cách để lắp đặt quạt hút, mô tơ, khoảng trống để khơng khí hút vào, bố trí dàn phun nước… - Tiêu chuẩn Reynold xác định từ phương trình chuẩn: (6) - Mặt khác theo cơng thức Newton trao đổi nhiệt đối lưu khơng khí nước qua bề mặt đệm F bằng: Qđ = α.F.∆t R e  0,045.Ar , 57  Gk   Gn    , 43 (12) - Tiêu chuẩn Arximed: (7) d 3tđ  k  n g Ar  2 - Diện tích bề mặt khối đệm: (13) - Tốc độ khí qua lỗ rỗng xác định theo tiêu chuẩn Reynold: R e.f  4. k 'k  (14) - Đường kính tương đương lỗ đệm: d tđ  Hình Trao đổi nhiệt hỗn hợp dùng đệm Q Q F  đ k F t. .t (8) - Thể tích khối đệm: V F f (15) - Hệ số tỏa nhiệt đối lưu tính theo cơng thức gần Luic [1] Quan hệ Luic nêu lên đồng dạng trình truyền nhiệt trình truyền ẩm α = Ck.β (9) (16) - Hệ số truyền ẩm xác định: - Chiều cao khối đệm: 4.V h .D 4.G k .k  k       0,0047 k k  d tđ0,  v  0,8 (10) - Đường kính khối đệm: D 4.v f - Mật độ tưới định: M (11) (17) 4.G n .D  n (18) 61 Nguyễn Cơng Vinh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 59 - 65   1,2  0,04.M (19) - Mật độ tưới tối thiểu theo kinh nghiệm: Mmin = 0,12.f (20) - Mật độ tưới tối đa theo kinh nghiệm: Mmax = (4 ÷ 6).Mmin (21) - Trở lực dòng khí qua khối đệm xếp tự xác định: p  .p k (22) - Trở kháng khối đệm khơng khí qua đệm khơng có nước: 7,6. k ' 2k  0k, p k  h Re < 7000 (23) g.d tđ v1,8 1,3. k '2k  0k, p k  h Re ≥ 7000 (24) g.d tđ v XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH Xây dựng lưu đồ thuật tốn giao diện Hình Lưu đồ thuật tốn chương trình - Hệ số tưới xác định: Trên sở lý thuyết mục 2, chọn phần mềm Visual Basic 6.0 để xây dựng lưu đồ thuật tốn tính tốn, thiết kế giao diện chương trình Chương trình gồm ba phần: phần nhập số liệu ban đầu, phần xác định thơng số nước khơng khí, phần xác định thơng số tháp [3] Hình Giao diện chương trình 62 Nguyễn Cơng Vinh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 189(13): 59 - 65 Chạy chương trình Hình Nhập thơng số đầu vào Hình Xác định thơng số nước khơng khí Sau nhập chọn xong liệu ban đầu (hình 6) chương trình chuyển qua xác định thơng số trạng thái nước khơng khí (hình 7) xác định đại lượng tháp (hình 8) So sánh số liệu nhập vào kết thu từ phần mềm, rút số nhận xét sau đây: Hình Xác định thơng số tháp - Khi nhiệt độ khơng khí vào tháp không đổi độ ẩm tương đối φ khơng khí tăng khả hoạt động tháp giảm, nghĩa nhiệt độ nước khỏi tháp (vào bình ngưng) tăng lên làm giảm trình ngưng tụ mơi chất lạnh bình ngưng [2] Muốn nhiệt độ nước khỏi tháp không đổi độ ẩm khơng khí vào tháp tăng, phải tăng lượng khơng khí vào tháp tức điều chỉnh tốc độ gió Khi nhiệt độ kế ướt nhỏ nghĩa độ ẩm tương đối khơng khí nhỏ, nước dễ bay vào khơng khí suất tháp tăng lên Tuy nhiên điều phụ thuộc vào môi trường xung quanh 63 Nguyễn Công Vinh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ - Để đảm bảo tốt q trình trao đổi khí nước, cần có đủ lượng nước tưới bề mặt đệm Nếu thiếu nước, bề mặt đệm có chỗ khơ làm giảm diện tích tiếp xúc nước khí Ngược lại tưới nhiều nước làm ngập vùng đệm, chất khí khơng qua làm giảm bề mặt tiếp xúc - Khi thay đổi nhiệt độ nước vào, nhiệt độ nước khỏi tháp hiệu nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến suất tháp Năng suất tháp cao nhiệt độ nước vào cao hiệu nhiệt độ giảm - Khi nước tuần hoàn thời gian dài, chất rắn hình thành nồng độ tăng trở nên cần thiết để "xả tràn ngoài" lượng nước định từ tháp biết đến mát tràn Điều ngăn chặn tích tụ chất nhiễm ảnh hưởng đến cấu trúc tháp Thực tế cho thấy lượng nước bổ sung cần thiết cho tháp làm mát khoảng 2% lượng nước tuần hoàn - Để đảm bảo phân bố không khí nước theo tiết diện [1], tỷ số chiều cao đệm đường kính đệm phải nằm khoảng 1,5 ÷ ≤ h D ≤ ÷ hiệu suất tháp giải nhiệt có sử dụng quạt đạt từ 64 189(13): 59 - 65 (70% ÷ 80%) kết chạy chương trình phản ánh yêu cầu KẾT LUẬN Ngày nay, với việc khoa học ngày phát triển, việc ứng dụng phần mềm tin học để giải tốn kỹ thuật nói chung kỹ thuật lạnh nói riêng, liên quan đến q trình tính tốn thơng số tháp giải nhiệt cần thiết Các số liệu thu từ phần mềm cho thấy xác định đánh giá yếu tố đặc trưng ảnh hưởng đến hiệu trao đổi nhiệt tháp Phần mềm viết ngơn ngữ Visual Basic 6.0 có giao diện tiếng Việt; cấu trúc đơn giản; dễ sử dụng tiện lợi cập nhật liệu Phần mềm phần đạt mục đích tự động hóa việc tính tốn thơng số tháp, trạng thái nước khơng khí vào tháp Từ lựa chọn phương án thiết kế tối ưu đảm bảo tiết kiệm lượng chi phí đầu tư ban đầu TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Hải, Dương Đức Hồng, Hà Mạnh Thư (1999), Thiết bị trao đổi nhiệt, Nxb Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy (2007), Kỹ thuật lạnh sở, Nxb Giáo dục Đậu Quang Tuấn (2006), Tự học lập trình Micorsoft Visual Basic 6.0, Nxb Giao thơng Vận tải Nguyễn Cơng Vinh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 59 - 65 ABSTRACT THE STUDY OF BUILDING THE PROGRAM CALCULATE THE COOLING TOWER THE APPLICATION OF TECHNIQUES OF COLD AND AIR - CONDITIONING Nguyen Cong Vinh, Nguyen Le Chau Thanh* University of Technology and Education – University of Danang In cold and air-conditioning, cooling tower plays a very important role for cooling water in the condenser However, in the hot, humid climate of Vietnam, when the cooling tower work poorly will cause the limitations for the air conditioning system To solve these problems, the need to study the process of the exchange of heat and moisture exchanger fit the amount of waste heat of condenser system, or in other words is the cooling tower to be the entire amount of heat due to condenser discharged On the other hand, it should calculate the economically optimal means to select the cooling tower stars for overall power to produce a unit of conditioning is the lowest When determining the quantities of cooling towers that use multiple parameters, complex formulas and spend quite a long time So to facilitate this, we built the Save Map algorithm and set the program calculated simulation of the cooling tower The program lets the user have more options with many different capacities, to help shorten the time to calculate and achieve the highest accuracy Key words: Cooling towers; heat exchange coefficient; temperature; program; cold system * Tel: 0989 296540, Email: nguyenlechauthanh@gmail.com 65 Nguyễn Cơng Vinh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Ngày nhận bài: 25/9/2018; Ngày hồn thiện: 19/11/2018; Ngày duyệt đăng: 30/11/2018 66 189(13): 59 - 65 ... kiện để kiểm tra chương trình, nhiệt độ nước khỏi tháp t”n phải lớn nhiệt độ nhiệt kế ướt khơng khí vào tháp tu chọn sau: - Nhiệt độ nước khỏi tháp: Cơ sở tính tốn Khi tính toán TGN cần xem xét... tỏa nhiệt (W/m2.0K); ω- tốc độ khơng khí (m/s) Xác định thơng số nước khơng khí Khi khơng khí vào tháp có độ ẩm φ ≤ 100% nhiệt độ t’k ≥ tu , nghĩa nhiệt độ thấp khơng khí vào tháp t’k = tu Vậy điều. .. g.d tđ v XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH Xây dựng lưu đồ thuật tốn giao diện Hình Lưu đồ thuật tốn chương trình - Hệ số tưới xác định: Trên sở lý thuyết mục 2, chọn phần mềm Visual Basic 6.0 để xây dựng lưu