Cơ sở lý thuyết và ứng dụng của phương pháp phân tích exergy để đánh giá hiệu quả của các hệ thống nhiệt lạnh

Cơ sở lý thuyết và ứng dụng của phương pháp phân tích Exergy để đánh giá hiệu quả của các hệ thống nhiệt lạnh Cơ sở lý thuyết và ứng dụng của phương pháp phân tích Exergy để đánh giá hiệu quả của các hệ thống nhiệt lạnh Cơ sở lý thuyết và ứng dụng của phương pháp phân tích Exergy để đánh giá hiệu quả của các hệ thống nhiệt lạnh Cơ sở lý thuyết và ứng dụng của phương pháp phân tích Exergy để đánh giá hiệu quả của các hệ thống nhiệt lạnh Cơ sở lý thuyết và ứng dụng của phương pháp phân tích Exergy để đánh giá hiệu quả của các hệ thống nhiệt lạnh

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ii DANH MỤC CÁC BẢNG iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v CHƢƠNG – HÀM MỤC TIÊU CỦA BÀI TOÁN TỐI ƢU HÓA KINH TẾ - KỸ THUẬT .3 1.1 Các phƣơng pháp phân tích chất lƣợng đánh giá hiệu trình lƣợng 1.2 Những bất cập tốn phân tích chất lƣợng đánh giá hiệu hệ thống trình biến đổi lƣợng 1.3 Hàm mục tiêu tốn tối ƣu hóa kinh tế - kỹ thuật CHƢƠNG – TỔNG QUAN VÀ XÁC ĐỊNH ĐỀ TÀI LUẬN ÁN 10 2.1 Tình hình nghiên cứu giới nƣớc 10 2.1.1 Tình hình nghiên cứu giới 10 2.1.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc 12 2.2 Xác định đề tài luận án 13 2.2.1 Xác định đề tài nghiên cứu 13 2.2.2 Đối tƣợng nghiên cứu 13 2.2.3 Mục đích nghiên cứu 13 2.2.4 Nội dung nghiên cứu 13 2.2.5 Phạm vi nghiên cứu 14 CHƢƠNG – NĂNG LƢỢNG VÀ KHẢ NĂNG BIẾN ĐỔI CỦA NĂNG LƢỢNG 15 3.1 Các dạng lƣợng khả biến đổi trình lƣợng 15 3.1.1 Các dạng lƣợng 15 3.1.2 Khả biến đổi lƣợng 16 3.2 Cân số lƣợng lƣợng 18 3.3 Hiệu biến đổi lƣợng 21 3.4 Sự xuống cấp lƣợng trình truyền biến đổi 22 CHƢƠNG – LÝ THUYẾT VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA PHƯƠNG PHÁP EXERGY 26 4.1 Sơ lƣợc lịch sử phát triển phƣơng pháp exergy 26 4.2 Exergy dạng biểu q trình truyền biến đổi lƣợng 28 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật 4.2.1 Exergy hệ kín 28 4.2.2 Exergy hệ thống hở .28 4.2.3 Exergy môi chất 29 4.2.4 Exergy nhiệt 31 4.3 Cân exergy – cân tổng hợp số lƣợng chất lƣợng lƣợng 34 4.3.1 Cân exergy 34 4.3.2 Hiệu suất exergy 39 4.3.3 Biểu diễn cân exergy 39 4.4 Nhận xét chung lý thuyết phƣơng pháp exergy 42 4.4.1 Khái niệm, thuật ngữ ký hiệu 42 4.4.2 Ứng dụng phƣơng pháp exergy 44 CHƢƠNG – NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP EXERGY .45 5.1 Một số trình biến đổi exergy thành nhiệt 45 5.1.1 Gia nhiệt điện 45 5.1.2 Gia nhiệt làm lạnh nhiệt 49 5.2 Phân tích exergy hệ thống bơm nhiệt máy nén 53 5.2.1 Phân tích lƣợng exergy 55 5.2.2 Kết thảo luận 58 5.3 Nhận xét chung chƣơng 70 CHƢƠNG – KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật LỜI CAM ĐOAN Bản luận văn nghiên cứu thực dƣới hƣớng dẫn thầy giáo: GS.TS Phạm Văn Tùy Để hoàn thành luận văn này, sử dụng tài liệu đƣợc ghi mục tài liệu tham khảo, không sử dụng liệu tham khảo khác mà không đƣợc ghi Tôi xin cam đoan không chép cơng trình thiết kế tốt nghiệp ngƣời khác Nếu sai, tơi xin chịu hình thức kỷ luật theo qui định Hà nội, ngày 13 tháng 06 năm 2014 Nguyễn Toàn Quyền i Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Đại lượng Đơn vị Ký hiệu Nhiệt lƣợng công suất nhiệt Q kJ, kW Công suất lạnh Q0 kW Công, công riêng L, l kJ, kJ/kg Exergy công suất exergy E kJ, kW Anergy, tổn thất exergy A kJ Tổn thất exergy ,  kJ, kJ/kg Năng lƣợng biến đổi công suất biến đổi W kJ, kW Nội U, u kJ, kJ/kg Năng lƣợng hiệu dụng Ue kJ Entanpy H, h kJ, kJ/kg Năng lƣợng hiệu dụng tồn phần hệ kín, lƣợng J, j kJ tinh Entanpy hiệu dụng, entanpy tinh K, k kJ Công biến đổi tinh, công suất biến đổi tinh Ew, Ew kW Năng lƣợng tổn hao ma sát thành nhiệt R kJ Dữ kiện nhiệt độ Carnot  - Hiệu suất nhiệt  % Hiệu suất exergy e % Khối lƣợng lƣu lƣợng khối lƣợng môi chất M, m kg, kg/s Thời gian  s Entropy S, s kJ/K, kJ/kg.K Công kỹ thuật LKT, lKT kJ, kJ/kg Hệ số lạnh  kJ Giá đơn vị exergy vào kW C1 VNĐ/kW ii Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Giá đơn vị exergy nhận từ hệ thống Cn VNĐ/kW Chi phí vận hành Cvh VNĐ Hiệu kinh tế - kỹ thuật tổng hợp  - Chỉ số (Ký hiệu chân) r : Ra v : Vào a : Môi trƣờng : Trạng thái đầu : Trạng thái cuối Q, q : Nhiệt W : Năng lƣợng biến đổi e : Exergy, công i : Nguồn có nhiệt độ Ti j : Tiết dịên vng góc j t : Tồn phần K : Máy K + : Vào - : Ra Chỉ số iii Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật DANH M Ụ C CÁ C B ẢNG Bảng 4-1 Các đại lƣợng lƣợng exergy tƣơng ứng 43 Bảng 5-1 Nghiên cứu so sánh lƣợng- exergy thiết bị gia nhiệt 45 Bảng 5-2 Nghiên cứu so sánh lƣợng- exergy thiết bị gia nhiệt điện 58 Bảng 5-3 Nghiên cứu so sánh lƣợng- exergy hệ thống gia nhiệt nhiệt 50 Bảng 5-4 Thông số đầu vào (Input values) hệ thống sƣởi ấm bơm nhiệt 59 Bảng 5-5 Thông số nhiệt động mơi chất (R410A) - chu trình bơm nhiệt 59 Bảng 5-6 Đặc tính lƣợng hệ thống hệ thống sƣởi ấm bơm nhiệt 60 Bảng 5-7 Đặc tính exergy hệ thống hệ thống sƣởi ấm bơm nhiệt 61 Bảng 5-8 So sánh hiệu sƣởi ấm sƣởi ấm bơm nhiệt trực tiếp điện 64 Bảng 5-9 Đặc tính lƣợng exergy hệ thống bơm nhiệt máy nén với (t0 = 30C, tk= 500C ÷ 540C) 66 Bảng 5-10 Đặc tính lƣợng exergy hệ thống bơm nhiệt máy nén (với tk = 500C, t0= -20C ÷ 50C) 68 iv Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1 Quan hệ chi phí tổn thất Hình 3-1 Hệ nhiệt động có hai dịng chảy 20 Hình 3-2 Sơ đồ bảo tồn chất lƣợng lƣợng q trình khơng thuận nghịch 24 Hình 4-1 Eq Aq nhiệt độ cấp nhiệt thay đổi 32 Hình 4-2 Chu trình Carnot eq, aq 32 Hình 4-3 E, Q chu trình ngƣợc chiều 33 Hình 4-4 Quan hệ  = f(T) 33 Hình 4-5 Quan hệ E, A nhiệt độ 34 Hình 4-6 Biểu diễn cân lƣợng 40 Hình 4-7 Biểu diễn cân exergy-anergy 41 Hình 4-8 Biểu diễn cân exergy 42 Hình 5-1 Nung nóng (a) điện (b) 45 Hình 5-2 Hàm e=f(T1, T2), Ta=100C thiết bị hình 5-1(a) 46 Hình 5-3 Sơ đồ nung nóng trực tiếp điện 48 Hình 5-4 Sơ đồ nung nóng trực tiếp nhiệt 50 Hình 5-5 Quan hệ e=f(T2) – Gia nhiệt hệ kín, đẳng tích 51 Hình 5-6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Sƣởi ấm Bơm nhiệt 54 Hình 5-7 Ảnh hƣởng nhiệt độ ngƣng tụ tới hiệu bơm nhiệt =f(tk) 68 Hình 5-8 Ảnh hƣởng nhiệt độ bay tới hiệu bơm nhiệt =f(t0) 70 v Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật M Ở ĐẦU Nhƣ ta biết, theo quan điểm khả biến đổi lý tƣởng lƣợng thành cơng học, lƣợng có loại có khả biến đổi hồn tồn, loại có khả biến đổi hạn chế loại khơng có khả biến đổi So với điện năng, dạng lƣợng khác nhiệt có đặc thù riêng với khả biến đổi thành dạng lƣợng khác hạn chế nhiều Đặc tính làm cho trình nhiệt – lạnh q trình khơng thuận nghịch, ln kèm theo giảm giá trị xuống cấp lƣợng Vì phƣơng pháp tính tốn cơng nghệ sử dụng nhiệt trình nhiệt – lạnh tồn nhiều vấn đề phải tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện Trong lĩnh vực nhiệt độ thấp (Kỹ thuật lạnh Điều hòa khơng khí) vấn đề lại xúc hơn, đánh giá so sánh hay phân tích hiệu q trình thiết bị Cách tính tổng nhiệt lƣợng nhiệt độ khác (nghĩa lƣợng nhiệt có giá trị khác nhau) khơng thể chấp nhận đƣợc; giá trị hệ số lạnh (COP) phản ánh hiệu thực trình Hàm mục tiêu tốn tối ƣu hiệu suất nhiệt, đại lƣợng khác nữa, làm để tự động hóa tính tốn quản lý vận hành hệ thống nhiệt lạnh cách khoa học, xác, kịp thời yêu cầu cấp thiết đặt không cho nhà quản lý chất lƣợng tiết kiệm lƣợng, nhà đầu tƣ mà cho cán khoa học kỹ thuật viên điều hành thực tế cơng trình nhiệt – lạnh Cũng lẽ đó, thời gian gần đây, vấn đề nhiệt động học ứng dụng công nghệ lƣợng đƣợc nhà khoa học giới tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện, đặc biệt phương pháp phân tích Exergy Trên giới, tính năm 1970 có khoảng 50 viết Exergy (sau đƣợc gọi “Energy available” Mỹ, “Arbeitsfähigkeit” “Exergie” Đức) đƣợc công bố tạp chí trình bầy hội thảo hội nghị khoa học Đến năm 2004, số vƣợt q 500 Năm 2000, có tạp chí quốc tế exergy đời, Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật chí cịn thu hút đơng đảo độc giả đối thủ cạnh tranh nhiều tạp chí khoa học uy tín khác Ở nƣớc ta, điển hình kể tới nhóm nghiên cứu giáo sƣ Phạm Văn Tùy cộng trƣờng đại học Bách Khoa Hà nội Đà nẵng Tuy nhiên, vấn đề nghiên cứu phát triển phƣơng pháp chƣa phổ biến việc tiếp cận sinh viên, cán kỹ thuật, quản lý lƣợng, nhiều hạn chế Do vậy, tác giả thực đề tài này, khơng tham vọng có phát kiến quan trọng mà cố gắng kỳ vọng qua luận văn lý thuyết exergy đƣợc phân tích cách khoa học, hệ thống, phần ứng dụng thực tế giúp ích cho đối tƣợng học tập, nghiên cứu đặc biệt công tác ứng dụng kỹ thuật cách khoa học thực tế Trong suốt trình thực hiện, tác giả nhận đƣợc hƣớng dẫn tận tình GS.TS.Phạm Văn Tùy, động viên, góp ý thầy bạn lớp thạc sỹ kỹ thuật KTN-11B.Tác giả xin bầy tỏ biết ơn chân thành hỗ trợ quý báu Nội dung đề tài, nhƣ nói trên, khơng nhƣng cịn đƣợc nghiên cứu hồn thiện nƣớc ta, khó tránh khỏi sai sót Tác giả mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến nhà khoa học, thầy, cô bạn để tác giả bổ sung, hoàn thiện phát triển nghiên cứu tƣơng lai./ Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật CHƯƠNG – HÀM MỤC TIÊU CỦA BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA KINH TẾ KỸ THUẬT 1.1 Các phương pháp phân tích chất lượng đánh giá hiệu q trình lượng Những phƣơng pháp phân tích nhiệt động sử dụng để tính tốn đánh giá chu trình nhiệt lạnh chủ yếu phƣơng pháp cân lƣợng, phƣơng pháp entropy phƣơng pháp exergy - Phương pháp cân lượng: Đây phƣơng pháp phổ biến đơn giản để tính tốn q trình thiết bị nói chung hệ thống nhiệt lạnh nói riêng, dựa sở nguyên lý thứ nhiệt động học Phƣơng pháp sử dụng hệ số lạnh (), hiệu suất nhiệt () để đánh giá hiệu trình Nhiệt – Lạnh, dựa sở phân tích cân lƣợng hệ thống - Phương pháp entropy: Phƣơng pháp nghiên cứu trình truyền biến đổi nhiệt động nhiệt máy lạnh dựa sở mức độ thay đổi entropy q trình có tên gọi phƣơng pháp entropy Đây phƣơng pháp dành riêng cho tốn phân tích chất lƣợng đánh giá hiệu trình phƣơng pháp dựa nguyên lý II nhiệt động học Ở đây, mặt chất lƣợng trình đƣợc xem xét theo nguyên lý Gouy – Stodola thiết lập mối quan hệ tổn thất lƣợng R với độ tăng entropy S nhiệt độ môi trƣờng xung quanh Ta trình thực: R  Ta S (0.1) - Phương pháp exergy: Phân tích làm việc hệ thống thiết bị lƣợng (trong có hệ thống nhiệt lạnh) có kể đến khác nguồn lƣợng độ không Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật thể rõ việc dùng hiệu suất exergy làm sở tối ƣu hóa kỹ thuật hệ thống lạnh hồn tồn xác cần thiết 5.2.2.2 So sánh hiệu sưởi ấm hệ thống sưởi ấm trực tiếp điện với hệ thống sưởi ấm bơm nhiệt Nhƣ mục 5.1.1-b phân tích, với nhiệt độ sƣởi ts = 220C, nhiệt độ khơng khí ngồi trời ta = 150C, sƣởi ấm trực tiếp điện năng, ta có: - Hiệu suất sƣởi ấm (trực tiếp điện năng):  = Q- / E+ = 100% - Công suất nhiệt tinh E-q lò sƣởi cung cấp nhiệt độ Ts: E-q = (1 - Ta ) E+ = (1 T1 ).E+ = E+ Suy ra: E+ = 49.17E-q - Hiệu suất exergy (sƣởi ấm trực tiếp điện năng): Nhƣ vậy, xét hai hệ thống mục đích thu đƣợc cơng suất sƣởi Qs (hay Eq), với tính tốn nhƣ phân tích phần ta có bảng so sánh đƣợc biểu diễn bảng 5-8 dƣới 63 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Bảng 5-8: So sánh hiệu sưởi ấm hệ thống sưởi ấm bơm nhiệt trực tiếp điện Thông số Đơn vị HT sưởi ấm trực tiếp điện HT sưởi ấm Bơm nhiệt Nhiệt độ sƣởi 22 22 Nhiệt độ trời C 15.00 15.00 Năng suất sƣởi Qs kW 3.81 3.81 Hiệu lượng % 100 349 Hiệu suất exergy % 2.37 35.10 Công suất điện tiêu thụ kW 3.81 1.09 Số hoạt động (trung bình) / năm / năm 720 720 Điện tiêu thụ /năm kWh/năm 2743.20 785.34 Đơn giá điện (trung bình) VNĐ/kWh 2000 2000 Chi phí điện / năm VNĐ/ năm 5,486,400.00 1,570,684.23 % 100 29 Hệ số phát thải (EF) theo số liệu năm 2011 Cục khí tượng Thủy văn Biến đổi khí hậu, Bộ Tài ngun Mơi trường [8] CO2/MWh 0.5408 0.5408 Lƣợng CO2 phát thải /năm CO2/ năm 1.48 0.42 % 100 29 Tương quan chi phí điện Tương quan phát thải CO2 C Nhận xét: - Nhƣ vậy, hiệu sƣởi ấm hệ thống bơm nhiệt cao (khoảng lần) so với sƣởi ấm trực tiếp điện Về mặt phân tích exergy cho thấy, sƣởi ấm trực tiếp điện có xuống cấp ghê gớm lƣợng (nghĩa điện chuyển hóa trực tiếp thành nhiệt kèm theo xuống cấp lƣợng lớn) Nguyên nhân điện có chất 64 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật lƣợng lƣợng cao nhiều so với nhiệt nên q trình khơng thuận nghịch với độ khơng thuận nghịch lớn - Về mặt kinh tế, sử dụng bơm nhiệt, tiết kiệm đƣợc khoảng gần 70% chi phí tiêu thụ điện so với sƣởi ấm trực tiếp điện Hơn nữa, qua kết so sánh bảng 5-8, ta nhận thấy việc dùng bơm nhiệt để sƣởi ấm làm giảm đáng kể lƣợng phát thải CO2 vào khí (có thể giảm tới khoảng 70%) so với sƣởi ấm trực tiếp điện - Khi sƣởi ấm trực tiếp điện, nhiệt xạ lớn (do nhiệt độ bề mặt sƣởi lớn), điều dễ gây cháy nổ, không tốt cho ngƣời môi trƣờng xung quanh Trong sử dụng thiết bị bơm nhiệt lại cung cấp nhiệt khoảng nhiệt độ ổn định (20 ÷ 240C) phù hợp với điều kiện tiện nghi vi khí hậu Đặc biệt, sử dụng thiết bị điều hòa hai chiều dùng bơm nhiệt lại đem lại nhiều lợi ích kinh tế nhƣ tính tiện ích cao - Tóm lại, sƣởi ấm bơm nhiệt, khơng có ý nghĩa mặt kinh tế mà cịn góp phần giảm thiểu phát thải khí nhà kính (CO2) vào khí quyển, hạn chế khả làm biến đổi khí hậu tồn cầu, nhƣ Giáo sƣ Nhật Bản phát biểu “Bơm nhiệt cứu trái đất bờ vực nóng lên tồn cầu”, tƣơng lai gần “bơm nhiệt cơng nghệ kỷ 21” Điều khẳng định sở khoa học đắn mà số nƣớc đƣa qui định cấm sử dụng điện để sƣởi ấm trực tiếp cho cơng trình có cơng suất lớn 5.2.2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ ngưng tụ nhiệt độ bay tới hiệu bơm nhiệt Ở phần thảo luận tới vấn đề quan trọng, ảnh hƣởng trực tiếp thƣờng xuyên tới hiệu hệ thống bơm nhiệt Đó thay đổi nhiệt độ ngƣng tụ nhiệt độ bay 65 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Bằng tính tốn tƣơng tự nhƣ phần trình bày cho thơng số nhiệt độ tk lần lƣợt biến thiên khoảng: t0 = (-20C ÷ 100C); tk = (500C ÷ 540C) ta có tổng hợp nhƣ dƣới  Ảnh hưởng nhiệt độ ngưng tụ tk: Bảng 5-9: Đặc tính lượng exergy hệ thống bơm nhiệt máy nén (với t0 = 30C, tk= 500C ÷ 540C) ĐẶC TÍNH NĂNG LƯỢNG Đại lượng Ký hiệu 1 Công suất tiêu thụ: Nhiệt độ ngưng tụ tk [00C] 50 51 52 53 54 1.090 1.090 1.151 1.166 1.166 E+mn 0.90 0.90 0.96 0.98 0.98 E+qdn 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 E+qbh 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 Công suất nhiệt cung cấp Q-s 3.81 3.81 3.72 3.68 3.54 Nhiệt tỏa dàn ngƣng tụ Tổn thất lượng hệ thống: Q-k 3.78 3.78 3.69 3.65 3.51 + Nhóm động - Máy nén Q Qmn 0.162 0.162 0.171 0.173 0.14 0.14 0.14 0.15 0.173 0.15 + Thiết bị ngƣng tụ Qdn 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 + Van tiết lƣu Qtl 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 + Thiết bị hồi nhiệt Qhn 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 + Quạt dàn nhiệt độ thấp Qqbh 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 Hiệu sưởi ấm (COP bơm nhiệt) NL 3.493 3.493 3.231 3.157 3.034 Công suất điện động máy nén Công suất điện động quạt mạng sƣởi Công suất điện động quạt mạng nhiệt độ thấp Công suất nhiệt: ĐẶC TÍNH EXERGY Đại lượng Ký hiệu 50 51 52 53 1.105 1.105 1.166 1.181 54 1.181 E+MN 0.90 0.90 0.96 0.98 0.98 E+qdn 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 E+qbh 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 2 Công suất exergy hệ thống tiêu thụ: Công suất điện động máy nén Công suất điện động quạt mạng sƣởi Công suất điện động quạt mạng nhiệt độ thấp Nhiệt độ ngưng tụ tk [00C] 66 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Công suất nhiệt mạng nhiệt độ thấp nhận vào E+Q,kk 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 E+Q,s 0.34 0.35 0.34 0.34 0.34 + Nhóm động - Máy nén  mn 0.717 0.720 0.779 0.739 0.13 0.14 0.16 0.14 0.775 0.15 + Thiết bị ngƣng tụ dn 0.14 0.16 0.16 0.16 0.04 + Van tiết lƣu tl 0.06 0.07 0.07 0.08 0.08 + Thiết bị hồi nhiệt hn 0.10 0.06 0.10 0.07 0.04 + Mạng nhiệt độ thấp dl 0.29 0.29 0.29 0.29 0.29 bh 0.19 0.19 0.19 0.19 0.19 e 0.351 0.348 0.332 0.289 0.287 Công suất nhiệt tinh mạng sưởi cung cấp cho khơng khí: Tổn thất exergy hệ thống: - Thiết bị bay Hiệu sưởi ấm 67 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Hình 5-7: Ảnh hưởng nhiệt độ ngưng tụ tới hiệu bơm nhiệt  = f(tk)  Ảnh hưởng nhiệt độ bay t0: Bảng 5-10: Đặc tính lượng exergy hệ thống bơm nhiệt máy nén (với tk= 500C, t0= -20C ÷ 50C) ĐẶC TÍNH NĂNG LƯỢNG Đại lượng Ký hiệu Nhiệt độ bay t0 [00C] -2 -1 1 1.090 1.095 1.095 1.092 1.088 1.090 1.090 1.090 E+mn 0.900 0.905 0.905 0.902 0.898 0.900 0.900 0.900 Công suất điện động quạt mạng sƣởi E+qdn 0.090 0.090 0.090 0.090 0.090 0.090 0.090 0.090 Công suất điện động quạt mạng nhiệt độ thấp E+qbh 0.100 0.100 0.100 0.100 0.100 0.100 0.100 0.100 Công suất tiêu thụ: Công suất điện động máy nén 68 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Công suất nhiệt: 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 Q-s 3.846 3.853 3.834 3.821 3.801 3.808 3.808 3.808 Q-k 3.819 3.826 3.807 3.794 3.774 3.781 3.781 3.781 Công suất nhiệt cung cấp Nhiệt tỏa dàn ngƣng tụ Tổn thất lượng hệ thống: + Nhóm động - Máy nén Q 0.162 0.163 0.163 0.162 0.162 0.162 0.162 0.162 Qmn 0.135 0.136 0.136 0.135 0.135 0.135 0.135 0.135 + Thiết bị ngƣng tụ Qdn 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 + Van tiết lƣu Qtl 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 + Thiết bị hồi nhiệt Qhn 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 + Quạt dàn nhiệt độ thấp Hiệu sưởi ấm (COP bơm nhiệt) Qqbh 0.027 0.027 0.027 0.027 0.027 0.027 0.027 0.027 NL 3.529 3.519 3.501 3.499 3.494 3.493 3.493 3.493 ĐẶC TÍNH EXERGY Đại lượng Công suất exergy hệ thống tiêu thụ: Công suất điện động máy nén Ký hiệu Nhiệt độ bay t0 [00C] -2 -1 2 1.102 1.107 1.108 1.105 1.102 1.105 1.105 1.105 E+MN 0.900 0.905 0.905 0.902 0.898 0.900 0.900 0.900 Công suất điện động quạt mạng sƣởi E+qdn 0.090 0.090 0.090 0.090 0.090 0.090 0.090 0.090 Công suất điện động quạt mạng nhiệt độ thấp E+qbh 0.100 0.100 0.100 0.100 0.100 0.100 0.100 0.100 Công suất nhiệt mạng nhiệt độ thấp nhận vào Công suất nhiệt tinh mạng sưởi cung cấp cho khơng khí: E+Q,kk 0.012 0.012 0.013 0.013 0.014 0.015 0.015 0.015 E+Q,s 0.358 0.359 0.357 0.356 0.354 0.355 0.353 0.352  0.582 0.629 0.651 0.666 0.684 0.717 0.707 0.708 mn 0.029 0.054 0.077 0.093 0.108 0.129 0.129 0.129 + Thiết bị ngƣng tụ dn 0.170 0.173 0.161 0.156 0.144 0.141 0.130 0.130 + Van tiết lƣu tl 0.080 0.079 0.074 0.068 0.063 0.063 0.058 0.039 + Thiết bị hồi nhiệt + Mạng nhiệt độ hn 0.096 0.095 0.095 0.093 0.101 0.096 0.089 0.100 dl 0.208 0.227 0.244 0.256 0.267 0.288 0.302 0.310 - Thiết bị bay bh 0.108 0.127 0.144 0.156 0.167 0.188 0.202 0.210 e 0.471 0.432 0.412 0.398 0.379 0.351 0.320 0.319 Tổn thất exergy hệ thống: + Nhóm động Máy nén thấp Hiệu sưởi ấm 69 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Hình 5-8: Ảnh hưởng nhiệt độ bay tới hiệu bơm nhiệt  = f(t0) Nhận xét: - Khi nhiệt độ bay tăng, hiệu suất exergy hệ số bơm nhiệt giảm - Khi nhiệt độ ngƣng tụ tăng lên, hiệu suất lƣợng hiệu suất exergy có xu hƣớng giảm 5.3 - Nhận xét chung chương Theo quan điểm tiết kiệm lƣợng việc gia nhiệt trực tiếp (tới nhiệt độ không cao nhiệt độ khí mấy) lƣợng điện không nên gây nên lãng phí lớn lƣợng sơ cấp, kèm theo phải tăng lƣợng nhiên liệu tiêu thụ mà cháy tạo thành khí nhà kính (CO2) gây nên hậu xấu với mơi trƣờng Do việc hạn chế dùng điện 70 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật có ý nghĩa bảo vệ mơi trƣờng sống tiết kiệm chi phí lƣợng, tạo hiệu kinh tế lớn - Khi gia nhiệt hay làm lạnh xa nhiệt độ môi trƣờng (gia nhiệt tới nhiệt độ cao, làm lạnh tới nhiệt độ thấp) độ khơng thuận nghịch q trình lớn, tổn thất exergy cao hiệu thấp Khi gia nhiệt hay làm lạnh nhiệt cần có lựa chọn phạm vi nhiệt độ hợp lý để trình đạt hiệu cao nhất: + Khi gia nhiệt: chọn nhiệt độ nguồn nóng cao thích hợp, vừa đủ q trình truyền nhiệt có t = tnhỏ + Khi làm lạnh: chọn nhiệt độ không thấp, tránh tạo t thấp - Khi sƣởi ấm bơm nhiệt, khơng có ý nghĩa mặt kinh tế mà cịn góp phần giảm thiểu phát thải khí nhà kính (CO2) vào khí quyển, hạn chế khả làm biến đổi khí hậu tồn cầu, nhƣ Giáo sƣ Nhật Bản phát biểu “Bơm nhiệt cứu trái đất bờ vực nóng lên tồn cầu”, tƣơng lai gần “bơm nhiệt cơng nghệ kỷ 21” Điều khẳng định sở khoa học đắn mà số nƣớc đƣa qui định cấm sử dụng điện để sƣởi ấm trực tiếp cho cơng trình có công suất lớn Việc sƣởi điện nên dùng cho thiết bị cơng suất nhỏ Trong cơng trình có cơng suất lớn, cần thiết gia nhiệt nên dùng nƣớc nóng (từ lị nƣớc nóng), bơm nhiệt hay máy điều hịa khơng khí hai chiều nóng/lạnh - Hiệu suất exergy lớn nói lên hiệu đơn mặt kỹ thuật nhƣng chi phí vận hành lại cao Do toán thực tế phải khảo sát toán tối ƣu tổng hợp kinh tế-kỹ thuật Tuy nhiên hiệu suất exergy giúp nhận biết hƣớng tối ƣu, từ rút gọn đƣợc khu vực, phận cần ƣu tiên cải tiến tiến hành đánh giá tối ƣu kinh tế-kỹ thuật 71 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật CHƯƠNG – KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Kết luận: Qua phần trình bày chƣơng luận văn tóm tắt cách đọng điểm nhấn luận văn mặt khoa học thực tiễn nhƣ sau: - Nghiên cứu khảo sát lý thuyết, làm rõ sở khoa học phƣơng pháp đánh giá hiệu quả, phục vụ tốn tối ƣu hóa nhằm cải tiến thiết bị hệ thống nhiệt-lạnh - Nghiên cứu, phân tích sở khoa học lý thuyết exergy lịch sử nhƣ xu hƣớng phát triển nó, đồng thời làm rõ sở xác định giới hạn kỹ thuật giải pháp nâng cao hiệu tiết kiệm lƣợng - Phân tích, khảo sát áp dụng tính toán số liệu cụ thể cho toán sƣởi ấm (ở nhiệt độ gần nhiệt độ môi trƣờng) trực tiếp lƣợng chất lƣợng cao (điện năng), lƣợng chất lƣợng thấp (nhiệt năng) sƣởi ấm dùng gián tiếp điện thông qua bơm nhiệt Từ đó, đƣa đƣợc kết luận đề xuất cho tốn cụ thể nói riêng tốn sƣởi ấm nói chung - Ý nghĩa khoa học: Phƣơng pháp exergy không dựa nguyên lý I mà nguyên lý II nhiệt động học thể tính xác khoa học hẳn phƣơng pháp lƣợng, toán đánh giá chất lƣợng nghiên cứu so sánh phƣơng án khác Nó thể dạng tổn thất hệ thống, sở trị số tổn thất mà ngƣời ta thấy thứ tự ƣu tiên xem xét khắc phục tổn thất Điều thể rõ việc dùng hiệu suất exergy làm sở tối ƣu hóa kỹ thuật hệ thống lạnh bơm nhiệt hồn tồn xác cần thiết - Ý nghĩa thực tế: việc sử dụng điện sinh hoạt để sƣởi ấm thuận tiện cho hệ thống cơng suất nhỏ nhƣng q trình khơng thuận nghịch, gây tổn thất lớn (về mặt chất lƣợng lƣợng) Đối với hệ thống có cơng suất lớn không nên sử dụng điện để sƣởi ấm (trực tiếp) mà nên dùng 72 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật nhiệt (là loại lƣợng chất lƣợng thấp) nhƣ dùng lò hơi, bơm nhiệt… tiết kiệm Khi sƣởi ấm bơm nhiệt, khơng có ý nghĩa mặt kinh tế mà cịn góp phần giảm thiểu phát thải khí nhà kính (CO2) vào khí quyển, hạn chế khả làm biến đổi khí hậu toàn cầu, nhƣ Giáo sƣ Nhật Bản phát biểu “Bơm nhiệt cứu trái đất bờ vực nóng lên toàn cầu”, tƣơng lai gần “bơm nhiệt cơng nghệ kỷ 21” Điều khẳng định sở khoa học đắn mà số nƣớc đƣa qui định cấm sử dụng điện để sƣởi ấm trực tiếp cho cơng trình có cơng suất lớn - Phƣơng pháp lƣợng dùng thuận tiện thiết kế (số liệu ổn định, rõ rang, thông số môi trƣờng không đổi,…) nhƣng toán nghiên cứu, so sánh, đánh giá hiệu phải xét khơng mặt số lƣợng (theo nguyên lý I nhiệt động) mà phải đánh giá chất lƣợng nguồn lƣợng tham gia trình (theo nguyên lý II nhiệt động) cho kết khách quan, xác Đặc biệt cải tiến thiết bị, có phƣơng án ƣu tiên trƣớc tiên đối tƣợng gây tổn thất (tổng hợp) lớn để từ xác định lời giải kinh tế - kỹ thuật hợp lý Đề xuất: Nhƣ trình bày trên, hiệu suất exergy lớn nói lên hiệu đơn mặt kỹ thuật nhƣng chi phí vận hành lại cao Do toán thực tế phải khảo sát toán tối ƣu tổng hợp kinh tế-kỹ thuật Tuy nhiên hiệu suất exergy giúp nhận biết hƣớng tối ƣu, từ rút gọn đƣợc khu vực, phận cần ƣu tiên cải tiến tiến hành đánh giá tối ƣu kinh tế-kỹ thuật Do giới hạn thời gian nhƣ mức độ yêu cầu chƣơng trình đào tạo mà phạm vi nghiên cứu luận án tập trung khảo sát làm rõ cở sở lý thuyết phương pháp nghiên cứu ứng dụng phân tích exergy vào số trình thiết bị nhiệt - lạnh đặc trưng Đó q trình mà sử dụng phƣơng pháp cân 73 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật lƣợng truyền thống (sử dụng nguyên lý I nhiệt động học) không phản ánh đầy đủ xác hiệu thực q trình truyền biến đổi lƣợng Do dẫn đến đánh giá sai lầm hiệu trình đƣa phƣơng hƣớng cải tiến khơng xác, thỏa đáng Bằng việc hoàn thành luận văn này, tác giả kỳ vọng góp phần nhỏ bé vào việc thúc đẩy thêm trình phổ biến kiến thức sở lý thuyết ứng dụng phƣơng pháp exergy vào thực tiễn, đặc biệt việc tiếp cận sinh viên, cán vận hành, quản lý hệ thống – thiết bị nhiệt - lạnh với lý thuyết Trong phần nghiên cứu tiếp theo, tác giả muốn sâu nghiên cứu thêm số hệ thống nhiệt-lạnh đặc trƣng khác nhƣ hệ thống lò chẳng hạn Đặc biệt tác giả kỳ vọng, hƣớng nghiên cứu này, đƣa tốn tối ƣu hóa tổng hợp kinh tế-kỹ thuật vào nghiên cứu để có kết luận đề xuất sâu sắc mặt sở khoa học thực tiễn 74 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Hải, Trần Thế Sơn – Nhiệt động kỹ thuật NXB Khoa học Kỹ thuật Hà nội, 1999 Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tuỳ – Môi chất lạnh NXB Giáo dục Hà Nội 1996 Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tuỳ – Kỹ thuật lạnh sở NXB Giáo dục In lần thứ Hà Nội, 1996 Trần Văn Phú – Tính tốn thiết kế hệ thống sấy NXB Giáo dục Hà nội, 2001 Phạm Văn Tùy – Phƣơng pháp phân tích chất lƣợng tính toán hiệu hệ thống nhiệt – lạnh NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà nội, 2009 Phạm Văn Tùy, Đỗ Thái Sơn, Vũ Huy Khuê, Nguyễn Thanh Liêm, Dương Văn Vường, Nguyễn Đắc Tuyên – Nghiên cứu công nghệ hút ẩm sấy lạnh nông sản thực phẩm Báo cáo đề tài NCKH cấp B2001-28-30 Hà nội, 07/2003 Phạm Văn Tùy, Nguyễn Nguyên An cộng – Hồn thiện thƣơng mại hóa máy hút ẩm sấy lạnh tiết kiệm lƣợng để sấy thực phẩm, dƣợc liệu nông sản sau thu hoạch Báo cáo tổng kết nhiệm vụ ươm tạo công nghệ Đại học Bách Khoa Hà nội, 05/2007 Báo cáo nghiên cứu, xây dựng hệ số phát thải (EF) lưới điện Việt Nam – Trung tâm bảo vệ tầng ơ-zơn, Cục khí tƣợng Thủy văn Biến đổi khí hậu, Bộ Tài ngun Mơi trƣờng Tháng 12/2011 Enrico Sciubba, Dept of Mechanical &Aeronautical Engineering University of Roma “La
Sapienza”, Roma, Italy – A brief Commented History of Exergy from the Beginnings to 2004 Int J of Thermodynamics, Vol 10 (No 1), pp 1-26, March 2007 (Bản tiếng anh) 10 Noam Lior (Department of Mechanical Engineering and Applied Mechanics, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA 19104-6315, USA), Na Zhang (Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 75 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật 100080, PR China) – Energy, exergy, and Second Law performance criteria www.elsevier.com/locate/energy Energy 32 (2007) 281-296 11 Ren Chengqin, Li Nianping, Tang Guangfa – Principles of exergy analysis in HVAC and evaluation of evaporative cooling schemes www.elsevier.com/locate/energy Building and Environment 37 (2002) 1045–1055 12 Phần mềm tra thông số nhiệt động môi chất REFTIL 13 Phần mềm EES (Engineering Equation Solver) – Version 14 Catalog máy điều hòa Daikin (Nhật Bản) 76 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật 74 ... đổi lượng  Lý thuyết phát triển phương pháp exergy  Ứng dụng phương pháp exergy đánh giá hiệu hệ thống nhiệt lạnh: Một số trình hệ thống đặc trưng trình gia nhiệt lượng cao cấp (cơ điện năng),... tốn hiệu hệ thống lạnh) ơng TS Võ Chí Chính với giáo trình mơn học “phƣơng pháp phân tích hiệu hệ thống nhiệt lạnh? ?? ơng trình bầy tƣơng đối rõ ràng lý thuyết exergy, phân tích số ứng dụng việc... thuật, quản lý lƣợng, nƣớc ta nhiều hạn chế Do vậy, tác giả mạnh dạn thực đề tài ? ?Cơ sở lý thuyết ứng dụng phương pháp exergy đánh giá hiệu hệ thống nhiệt lạnh? ?? 2.2.2 Đối tượng nghiên cứu Các trình