Nghiên cứu hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng trong điều hòa không khí trung tâm để tiết kiệm điện năng

i Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN MINH PHÚ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CHILLER NỐI TIẾP NGƯỢC DÒNG TRONG ĐIỀU HÒA KHƠNG KHÍ TRUNG TÂM ĐỂ TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG Chun ngành: Công nghệ nhiệt LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2008 ii CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Bùi Ngọc Hùng (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng 12 năm 2008 iii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 25 tháng 01 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN MINH PHÚ Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 25-07-1983 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Chun ngành: Cơng nghệ nhiệt Khoá (Năm trúng tuyển): 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng điều hịa khơng khí trung tâm để tiết kiệm điện 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN - Nghiên cứu lý thuyết tổng quan bố trí chiller hệ thống nước - Nghiên cứu tính tốn hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng loại chiller - Xây dựng chương trình tính tốn tối ưu thơng số vận hành - Thiết lập mơ hình thực nghiệm để kiểm chứng - Nhận xét, kết luận kiến nghị 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25-01-2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 28-11-2008 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Bùi Ngọc Hùng Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH TS Bùi Ngọc Hùng PGS.TS Lê Chí Hiệp iv Lời cảm ơn Tơi xin chân thành bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc đến: Thầy Bùi Ngọc Hùng tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu, phương tiện thí nghiệm, dành nhiều thời gian quý báo để đọc toàn thảo đóng góp nhiều ý kiến thiết thực cho luận văn Ban chủ nhiệm toàn thể quý thầy cô Bộ môn Công nghệ nhiệt lạnh – Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất lẫn tinh thần suốt thời gian theo học thực luận văn thạc sĩ Gia đình, người thân bạn bè ln động viên, giúp đỡ để tơi hồn thành luận văn khóa học cao học trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM Tp.HCM, tháng 11 năm 2008 Nguyễn Minh Phú v Tóm tắt luận văn thạc sĩ Bố trí nối tiếp chiller giúp giảm độ chênh nhiệt độ ngưng tụ bay chiller nhiên làm tăng tổn thất áp suất nước, nhược điểm giải tăng độ chênh nhiệt độ nước vào khỏi hệ thống chiller lưu lượng nước giảm Bên cạnh với hệ thống nước lưu lượng sơ cấp thay đổi làm giới hạn ảnh hưởng tổn thất áp suất chế độ giảm tải Luận văn nghiên cứu hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng lưu lượng thấp, nhiệt độ nước lạnh thấp, hiệu suất cao nhằm tiết kiệm điện việc phân tích lý thuyết, nghiên cứu phương pháp tính tốn ứng với loại chiller cụ thể chiller có bình ngưng ống nước nằm ngang có cánh ngắn phía tác nhân lạnh R22, bình bốc ống trơn nằm ngang R22 sơi ống, khơng có bình hồi nhiệt Kế tiếp luận văn xây dựng chương trình tính tốn tối ưu thông số vận hành số chiller ghép nối tiếp, độ chênh nhiệt độ nước vào ra, lưu lượng nước giải nhiệt tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng phần phương pháp tính tốn vi Danh mục số ký hiệu COP – Hệ số làm lạnh cpnl – Nhiệt dung riêng nước qua bình bay hơi, kJ/kg.K dnc – Đường kính ngồi ống truyền nhiệt bình ngưng, m dne – Đường kính ngồi ống truyền nhiệt bình bay hơi, m Dc – Đường kính cánh, m Dotl – Đường kính lớn chùm ống, m Ds – Đường kính vỏ bình, m dtc – Đường kính ống truyền nhiệt bình ngưng, m dte – Đường kính ống truyền nhiệt bình bay hơi, m Fnc/m – Tổng diện tích bề mặt ngồi mét ống có cánh, m2/m Fne – Diện tích truyền nhiệt phía ngồi ống bình bay hơi, m2 Ftc – Diện tích truyền nhiệt phía ống bình ngưng, m2 Ftc/m – Tổng diện tích bề mặt mét ống, m2/m Fte – Diện tích truyền nhiệt phía ống bình bay hơi, m2 GR – Lưu lượng tác nhân lạnh, kg/s i – Entanpi tác nhân lạnh, kJ/kg Lbc – Khoảng cách hai vách ngăn, m Lbch – Chiều cao cắt vách ngăn, m lc – Chiều dài ống truyền nhiệt bình ngưng, m le – Chiều dài ống truyền nhiệt bình bay hơi, m Lsb – Khe hở vỏ bình vách ngăn, m Ltb – Khe hở ống truyền nhiệt vách ngăn, m Ltp – Bước ống, m Nb – Số vách ngăn nc – Tổng số ống bình ngưng ne – Tổng số ống bình bay vii nnt – Số chiller nối tiếp ngược dịng N – Cơng suất máy nén, kW Nk – Công suất bơm nước giải nhiệt, kW N0 – Công suất bơm nước lạnh, kW nze – Số hàng ống bình bay Prnl – Trị số Prandtl nước qua bình bay qte – Mật độ dịng nhiệt phía ống bình bay hơi, kW/m2 Q0 – Năng suất lạnh, kW Qk – Năng suất bình ngưng, kW Rc – Nhiệt trở cáu vách ống bình ngưng, m2.K/W Re – Nhiệt trở cáu vách ống bình bay hơi, m2.K/W Regn – Trị số Reynolds nước qua bình ngưng Renl – Trị số Reynolds nước qua bình bay Sc – Bước cánh, m Sm – Diện tích nước qua chổ hẹp bình bay hơi, m2 t0 – Nhiệt độ bay hơi, oC tk – Nhiệt độ ngưng tụ, oC tgn – Nhiệt độ trung bình nước qua bình ngưng, oC tgnr – Nhiệt độ nước giải nhiệt khỏi bình ngưng, oC tgnv – Nhiệt độ nước giải nhiệt vào bình ngưng, oC tnl – Nhiệt độ trung bình nước qua bình bay hơi, oC tnlr – Nhiệt độ nước khỏi bình bay hơi, oC tnlv – Nhiệt độ nước vào bình bay hơi, oC twc – Nhiệt độ vách ống truyền nhiệt bình ngưng, oC twe – Nhiệt độ vách ống truyền nhiệt bình bay hơi, oC Vgn – Lưu lượng nước giải nhiệt, m3/s Vnl – Lưu lượng nước lạnh, m3/s viii W – Công nén đoạn nhiệt, kW x – Độ khơ tác nhân lạnh vào bình bay zc – Số pass bình ngưng ze – Số pass bình bay α gn – Hệ số trao đổi nhiệt nước qua bình ngưng, W/m2.K α nl – Hệ số trao đổi nhiệt nước qua bình bay hơi, W/m2.K α Re – Hệ số trao đổi nhiệt tác nhân lạnh bình bay hơi, W/m2.K ωgn – Tốc độ nước chảy ống bình ngưng, m/s ωnl – Tốc độ nước qua chổ hẹp bình bay hơi, m/s ν gn – Độ nhớt động học nước qua bình ngưng, m2/s ν nl – Độ nhớt động học nước qua bình bay hơi, m2/s ρ nl – Khối lượng riêng nước qua bình bay hơi, m3/kg λ nl – Hệ số dẫn nhiệt nước qua bình bay hơi, W/m.K εL – Hệ số tính đến ảnh hưởng đoạn ống nhiệt ban đầu ε qd – Hệ số hiệu chỉnh độ εz – Hệ số xét đến ảnh hưởng số hàng ống δ0 – Bề dày chân cánh, m δd – Bề dày đầu cánh, m ∆p1 – Tổn thất áp suất qua chùm ống, kPa ∆p – Tổn thất áp suất vùng cửa sổ, kPa ∆p – Tổn thất áp suất cửa vào ra, kPa ∆p gn – Tổn thất áp suất nước qua bình ngưng, kPa ∆p nl – Tổn thất áp suất nước qua bình bay hơi, kPa η – Hiệu suất bơm nước ix Danh mục hình vẽ Hình 1.1- COP loại máy nén yêu cầu hiệu suất nhỏ theo tiêu chuẩn ASHRAE 90.1 MEPS Hình 1.2- Thành phần tiêu thụ điện năm hệ thống điều hịa khơng khí Hình 1.3- Hệ thống chiller .3 Hình 1.4- Hệ thống hai chiller lắp song song Hình 1.5- Lắp nối tiếp bình bay hơi, lắp song song bình ngưng Hình 1.6- Hệ thống hai chiller lắp nối tiếp ngược dòng Hình 1.7- Tương quan nhiệt độ nước giải nhiệt, nước lạnh nhiệt độ bay hơi, ngưng tụ hệ thống hai chiller ghép nối tiếp bình bay ghép song song bình ngưng Hình 1.8- Tương quan nhiệt độ nước giải nhiệt, nước lạnh nhiệt độ bay hơi, ngưng tụ hệ thống hai chiller ghép nối tiếp ngược dòng Hình 1.9- Hệ thống lưu lượng không đổi với van ngã Hình 1.10- Hệ thống lưu lượng khơng đổi với van ngã van bypass .9 Hình 1.11- Hệ thống sơ cấp/thứ cấp .10 Hình 1.12- Hệ thống lưu lượng sơ cấp thay đổi .11 Hình 1.13- Chu trình máy lạnh nhiệt độ bình ngưng bình bay .13 Hình 1.14- Cách xác định thông số tối ưu nước 14 Hình 1.15- Tương quan cơng suất máy nén, bơm nước giải nhiệt quạt tháp tăng độ chênh nhiệt độ nước 17 Hình 2.1- Chu trình máy lạnh .22 Hình 2.2- Đồ thị T-s .22 Hình 2.3- Tổn thất áp suất qua chùm ống 26 Hình 2.4- Tổn thất áp suất qua bình ngưng 33 Hình 3.1- Giao diện chương trình 35 Hình 3.2- Giao diện nhập số liệu 36 Hình 3.3- Hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng 39 x Hình 3.4- Lưu đồ chương trình tính tốn tối ưu hệ thống chiller nối tiếp ngược dịng 39 Hình 3.4- Số liệu mô chiller 20ton 41 Hình 3.5- Cơng suất theo tnlcấp tgncấp (2 chiller ghép nối tiếp) 42 Hình 3.6- Cơng suất theo tnlcấp (2 chiller ghép nối tiếp) 42 Hình 3.7- Cơng suất theo tgncấp (2 chiller ghép nối tiếp) 43 Hình 3.8- Cơng suất theo tnlcấp tgncấp (3 chiller ghép nối tiếp) 44 Hình 3.9- Công suất theo tnlcấp (3 chiller ghép nối tiếp) 44 Hình 3.10- Cơng suất theo tgncấp (3 chiller ghép nối tiếp) .45 Hình 3.11- Cơng suất theo tnlcấp tgncấp (4 chiller ghép nối tiếp) 46 Hình 3.12- Cơng suất theo tnlcấp (4 chiller ghép nối tiếp) .46 Hình 3.13- Công suất theo tgncấp (4 chiller ghép nối tiếp) 47 Hình 3.14- So sánh tổng công suất .48 Hình 3.15- So sánh lưu lượng nước .48 Hình 3.16- Số liệu mô chiller 15ton 50 Hình 3.17- So sánh tổng công suất .51 Hình 3.18- So sánh lưu lượng nước lạnh .52 Hình 3.19- So sánh lưu lượng nước giải nhiệt .52 Hình 4.1- Mơ hình thí nghiệm vị trí đo 54 Hình 4.2- Chiller 55 Hình 4.3- Bình bốc 56 Hình 4.4- Bình ngưng 56 Hình 4.5- Sơ đồ kiểm chứng 58 Hình 4.6- So sánh lưu lượng nước giải nhiệt 58 Hình 4.7- So sánh tổn thất áp suất 59 Hình 4.8- Hiệu chỉnh tổn thất áp suất nước qua bình ngưng 59 Hình 4.9- So sánh tổn thất áp suất nước qua bình ngưng sau hiệu chỉnh 61 Hình 4.10- So sánh nhiệt độ bay nhiệt độ ngưng tụ 61 89 arr_toiuu(10)=arr_vnlch(arr_min(1),arr_min(2)); arr_toiuu(11)=arr_vgnch(arr_min(1),arr_min(2)); arr_toiuu(12)=arr_n(arr_min(1),arr_min(2)); Tinhtoiuu(arr_toiuu); Draw; end end function [to,tk,nbe,nbc,w,pn]=Ketqua() deltape=0; deltapc=0; to=0; tk=0; nbc=0; nbe=0; w=0; pn=0; % Bang thong so vat lu p, gama, v, beta, pr a1=[ 1.013 999.9 4.212 55.1 13.1 1788 1.789 -0.63 766 13.67; 10 1.013 999.7 42.04 4.191 57.4 13.7 1306 1.306 0.7 741.6 9.52; 20 1.013 998.2 83.91 4.183 59.9 14.3 1004 1.006 1.82 726.9 7.02; 30 1.013 995.7 125.7 4.174 61.8 14.9 801.5 0.805 3.21 712.2 5.42; 40 1.913 992.2 167.5 4.174 63.5 15.3 653.3 0.659 3.87 696.5 4.31; 50 1.013 988.1 209.3 4.174 64.8 15.7 549.4 0.556 4.49 676.9 3.54; 60 1.013 983.2 251.1 4.179 65.9 16.0 469.9 0.478 5.11 662.2 2.98; 70 1.013 977.8 293.0 4.187 66.8 16.3 406.1 0.415 5.70 643.5 2.55; 80 1.013 971.8 335.0 4.195 67.4 16.6 355.1 0.365 6.32 625.9 2.21; 90 1.013 965.3 377.0 4.208 68.0 16.8 314.9 0.326 6.59 607.2 1.95; 100 1.013 958.4 419.1 4.220 68.3 16.9 282.5 0.295 7.52 588.6 1.75]; % Bang thong so epsilon lre Phụ lục 90 z=[ 1.34 1.23 1.17 1.13 1.07 1.03; 1.27 1.18 1.13 1.10 1.05 1.02; 1.18 1.13 1.10 1.08 1.04 1.02; 1.15 1.10 1.08 1.06 1.03 1.02; 1.08 1.05 1.04 1.03 1.02 1.01]; xld=[5 10 15 20 30 40]; yre=[10000 20000 50000 100000 1000000]; % Bang thong so epsilon qd xre=[2000 3000 4000 5000 6000 8000 10000]; yepseqd=[0.4 0.57 0.72 0.81 0.88 0.96 1]; ftnge=pi*dnge*ne*le; fttre=pi*dtre*ne*le; tnl=0.5*(tnlv+tnlr); if (tnl>=0 && tnl