Thiết kế hệ thống điều hòa không khí sử dụng water chiller

Viện KH & CN Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ 1.1.1. Lịch sử phát triển điều hoà không khí Từ lâu, con người đã biết nhiều phương thức để đối phó với sự khắc nghiệt của thời tiết để bảo vệ cơ thể và đồ ăn thức uống, như đốt lửa sưởi ấm vào mùa đông, vào các hang động mát mẻ để tránh nóng vào mùa hè. Cách đây khoảng 5000 năm, con người đã biết bảo quản lương thực và thực phẩm trong các hang động và nhiệt độ thấp do các mạch nước ngầm nhiệt độ thấp chảy qua. Các tranh vẽ trên tường trong các kim tự tháp Ai Cập cách đây 2500 ÷ 3000 năm đã mô tả cảnh nô lệ quạt các bình gốm xốp cho nước bay hơi làm mát không khí. Cách đây 2000 năm người Ấn Độ và Trung Quốc đã biết trộn muối vào nước đá để tạo ra nhiệt độ thấp hơn. Trải dài trong suốt quá trình hình thành và phát triển điều hòa không khí, trên thế giới đã có những dấu mốc nổi bật như: Năm 1834, Perkins đã đăng kí bằng phát minh về máy lạnh nén hơi chạy bằng ete đầu tiên trên thế giới. Năm 1845, bác sĩ người mỹ John Gorrie đã chế tạo máy lạnh nén khí đầu tiên để điều hòa không khí cho bệnh viện tư của ông. Chính sự kiện này đã làm cho ông nổi tiếng thế giới và đi vào lịch sử của kỹ thuật điều hòa không khí. Năm 1859, Carré phát minh ra máy lạnh hấp thụ NH 3 / H 2 O đầu tiên. Bắt đầu từ những năm 1860 ở Pháp F.Carré đã đưa ra những ý tưởng về điều hòa không khí cho các phòng ở và đặc biệt cho các nhà hát. Năm 1884, tầu hỏa sử dụng điều hòa không khí đầu tiên khánh thành chạy trên tuyến đường Baltimore-Ohio. Năm 1894, công ty Line đã xây dựng một hệ thống điều hòa không khí bằng máy lạnh ammoniac dùng để làm lạnh và khử ẩm không khí trong mùa hè. Dàn SV: Trần Hồng Hệ_Lớp: Máy & TBNLA-K51 Page 1 Viện KH & CN Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp lạnh đặt trên trần nhà, không khí lạnh đối lưu tự nhiên từ trên đi xuống phía dưới do mật độ lớn hơn, máy lạnh đặt dưới tầng hầm. Và đến năm 1895 thì Line đã chế tạo được máy hóa lỏng không khí đầu tiên. Năm 1901, một công trình khống chế nhiệt độ dưới 28 o C với độ ẩm thích hợp cho phòng hòa nhạc ở Monte Carlo được khánh thành. Không khí được đưa qua buồng phun nước với nhiệt độ 10 o C rồi cấp vào phòng. Năm 1904, trạm điện thoại ở Hamburg được duy trì nhiệt độ mùa hè dưới 23 o C và độ ẩm 70%. Năm 1910 công ty Borsing xây dựng các hệ thống điều hòa không khí ở Koeln và Rio de Janeiro. Các công trình này chủ yếu mới là các chế độ nhiệt, chưa đạt được sự hoàn thiện và đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật cần thiết. Nhưng cũng từ lúc này bắt đầu hình thành hai xu hướng cơ bản là điều hòa tiện nghi cho các phòng ở và điều hòa công nghệ phục vụ các nhu cầu sản xuất. Năm 1911, Carrier đã đặt nền móng đầu tiên cho kỹ thuật điều hòa không khí. Ông là người đã đưa ra định nghĩa điều hòa không khí là sự kết hợp sưởi ấm, hút ẩm, lọc và rửa không khí, tự động duy trì khống chế trạng thái không khí không đổi phục vụ cho mọi yêu cầu tiện nghi và công nghệ. Ông đã lần đầu tiên xây dựng ẩm đồ của không khí ẩm và cắt nghĩa tính chất nhiệt của không khí ẩm và các phương pháp xử lý để đạt được các trạng thái không khí yêu cầu. Ông là người đi đầu trong việc xây dựng cơ sở lý thuyết cũng như trong phát minh, sáng chế, thiết kế và chế tạo các thiết bị và hệ thống điều hòa không khí. Có thể thấy lịch sử phát triển điều hòa không khí đã bắt đầu từ rất sớm, và không ngừng tạo ra những bước tiến vượt trội. Ngày nay, lĩnh vực điều hòa không khí, ngoài việc điều hòa tiện nghi cho các phòng có người như nhà ở, nhà hàng, hội trường, khách sạn, văn phòng mà điều hòa công nghệ còn đóng vai trò rất quan trọng trong việc phát triển các nghành kinh tế khác. Điều hòa công nghệ bao gồm nhiều lĩnh vực sản xuất khác nhau trong đó có sợi dệt, thuốc lá, in ấn, phim ảnh, dược liệu, đồ da và hàng loạt các phòng thí nghiệm khác. Như vậy, SV: Trần Hồng Hệ_Lớp: Máy & TBNLA-K51 Page 2 Viện KH & CN Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp điều hòa không khí là nhu cầu thiết yếu đối với đời sống con người, cũng như đối với bất kì nghành công nghiệp nào. 1.1.2. Ảnh hưởng của môi trường không khí tới con người và sản xuất 1.1.2.1. Ảnh hưởng của môi trường không khí tới con người a. Nhiệt độ Nhiệt độ là yếu tố gây cảm giác nóng lạnh rõ rệt nhất đối với con người, do đây là yếu tố quyết định sự truyền nhiệt giữa bề mặt da và môi trường không khí xung quanh. Khi lao động (hoạt động) con người đều sản sinh ra nhiệt lượng mà nhiệt lượng sản sinh lại nhiều hơn lượng nhiệt cần duy trì ở 37 0 C. Do đó cần phải giải phóng lượng nhiệt dư thừa vào môi trường không khí xung quanh từ bề mặt bên ngoài con người theo 3 phương thức truyền nhiệt sau: đối lưu, bức xạ, bay hơi. Truyền nhiệt bằng đối lưu và bức xạ từ mặt da hoặc chỉ bằng dẫn nhiệt qua lớp quần áo được diễn ra khi có chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường và bề mặt da. Khi nhiệt độ môi trường nhỏ hơn 36 0 C, cơ thể thải một lượng nhiệt ra môi trường nên có cảm giác lạnh. Còn nhiệt độ môi trường lớn hơn 36 0 C, cơ thể nhận một lượng nhiệt nên có cảm giác nóng. Tuỳ vào cường độ lao động và môi trường làm việc xung quanh mà gây cảm giác nóng lạnh đối với con người. Ngoài việc truyền nhiệt bằng đối lưu và bức xạ, cơ thể người còn truyền nhiệt bằng bay hơi là nhiệt toả ra do có sự bay hơi nước trên cơ thể người (do mồ hôi, do hơi thở có chứa hơi nước), lượng nhiệt ấy gọi là nhiệt ẩn. Khi đó độ ẩm tương đối của không khí đóng vai trò rất quan trọng. b. Độ ẩm tương đối ϕ Là yếu tố quyết định điều kiện bay hơi mồ hôi vào không khí. Sự bay hơi nước vào không khí chỉ diễn ra khi ϕ < 100%. Nếu không khí có độ ẩm vừa phải thì khi cơ thể đổ mồ hôi, mồ hôi sẽ bay vào không khí được nhiều sẽ gây cho cơ thể cảm giác dễ chịu hơn. Nếu độ ẩm ϕ lớn quá, mồ hôi thoát ra ngoài da bay SV: Trần Hồng Hệ_Lớp: Máy & TBNLA-K51 Page 3 Viện KH & CN Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp hơi kém (hoặc thậm chí không bay hơi được), trên da sẽ có mồ hôi nhớp nháp gây cảm giác khó chịu cho cơ thể. Ngoài hai yếu tố nhiệt độ và độ ẩm thì tốc độ không khí cũng đóng vai trò quan trọng trong trao đổi nhiệt ẩm giữa cơ thể và môi trường. c. Tốc độ không khí k ω Khi tăng tốc độ chuyển động của không khí sẽ làm tăng cường độ tỏa nhiệt và cường độ tỏa chất, khi đó lượng nhiệt toả ra từ người bằng đối lưu và bằng bay hơi đều tăng và ngược lại. Trong điều kiện độ ẩm ϕ lớn thì k ω tăng sẽ làm tăng nhanh quá trình bay mồ hôi trên da, sẽ gây cảm giác dễ chịu về mùa hè. Về mùa đông khi k ω lớn sẽ làm tăng sự mất nhiệt của cơ thể gây cảm giác lạnh. Để đảm bảo về chất lượng không khí cung cấp cho con người chúng ta không thể bỏ qua nồng độ các chất độc hại. d. Nồng độ khí độc hại Ngoài ba yếu tố nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió đã nói ở trên, không khí còn cần đảm bảo có độ trong sạch nhất định, đặc trưng bằng nồng độ các chất độc hại. Độ sạch thể hiện nồng độ bụi bẩn, nồng độ khí độc hại như CO 2 , hơi nước và các hóa chất độc hại khác phát sinh trong quá trình sản xuất hoặc các phản ứng hoá học. Tất cả các chất độc hại trên khi lẫn trong không khí phải ở mức độ cho phép để đảm bảo an toàn cho con người. Tiếng ồn cũng là một yếu tố ảnh hưởng tới cảm giác dễ chịu của con người. Trong quá trình sản xuất, hay sự hoạt động của máy móc sẽ phát ra những tiếng ồn, ta phải đảm bào tiếng ồn đó không gây ảnh hưởng đến công nhân vận hành và nhứng người xung quanh. 1.1.2.2. Ảnh hưởng của môi trường không khí đối với sản xuất SV: Trần Hồng Hệ_Lớp: Máy & TBNLA-K51 Page 4 Viện KH & CN Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp a. Nhiệt độ Nhiệt độ là yếu tố rất quan trọng đối với nhiều nghành sàn xuất, vì nó quyết định đến chất lượng và mẫu mã của sản phẩm. Ví dụ như trong sấy nóng, sấy đậu nành, sấy thuốc lá, sấy coffee, sấy chè, nếu nhiệt độ cao quá sẽ làm sản phẩm bị chín, làm sản phẩm bị hỏng. Đối với sấy lạnh, khi sấy ở nhiệt độ thấp sẽ đảm bảo được chất lượng và mẫu mã sản phẩm. Một số ngành sản xuất như bánh kẹo cao cấp đòi hỏi nhiệt độ không khí khá thấp (Ví dụ: ngành chế biến sôcôla cần nhiệt độ 7 ÷ 8 o C, kẹo cao su 20 o C), nếu nhiệt độ caọ sẽ làm hư hỏng sản phẩm. Một số ngành sản xuất và các trung tâm điều khiển tự động trung tâm đo lường chính xác cũng cần duy trì nhiệt độ ổn định và khá thấp (20 o C ÷ 22 o C), nhiệt độ không khí cao sẽ làm máy móc, dụng cụ kém chính xác và giảm tuổi thọ của thiết bị. b. Độ ẩm tương đối Ngoài yếu tố về nhiệt độ thì độ ẩm cũng ảnh hưởng đến sản xuất rất nhiều. Hầu hết các quá trình sản xuất thực phẩm đều cần duy trì độ ẩm vừa phải. Độ ẩm ϕ quá thấp làm tăng nhanh sự thoát hơi nước trên mặt sản phẩm, do đó tăng hao trọng lượng, có khi làm giảm chất lượng sản phẩm (gây nứt nẻ, vỡ do sản phẩm bị giòn quá khi khô). Nhưng nếu ϕ lớn quá cũng làm môi trường phát sinh nấm mốc. Ví dụ như trong nghành công nghiệp sợi dệt thì luôn phải duy trì độ ẩm vừa phải. Nếu độ ẩm cao quá, sợi bị bón lại với nhau và sẽ không xe được sợi. Nếu độ ẩm nhỏ quá, sợi sẽ giòn và dễ bị đứt khi xe. c. Độ trong sạch của không khí Trong môi trường sản xuất thì độ trong sạch của không khí không chỉ tác động đến con người mà tác động trực tiếp đến chất lượng sản phẩm, đặc biệt là các nghành chế biến thực phẩm. Bụi bẩn bám trên sản phẩm không chỉ làm giảm vẻ đẹp mà còn làm hỏng sản phẩm. Các ngành sản xuất thực phẩm không chỉ yêu SV: Trần Hồng Hệ_Lớp: Máy & TBNLA-K51 Page 5 Viện KH & CN Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp cầu không khí trong sạch, không có bụi bẩn mà còn đòi hỏi vô trùng nữa, một số công đoạn chế biến có kèm sự lên men gây mùi hôi thối. d. Tốc độ không khí Tốc độ không khí đối với sản xuất chủ yếu liên quan đến tiết kiệm năng lượng quạt gió. Tốc độ lớn quá mức cần thiết ngoài việc gây cảm giác khó chịu đối với con người còn làm tăng tiêu hao công suất động cơ kéo quạt. Riêng đối với một số ngành sản xuất, không cho phép tốc độ gió ở vùng làm việc lớn quá như ngành sợi dệt, nếu tốc độ lớn quá sẽ làm rối sợi. Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao cho các quá trình sản xuất và yêu cầu cải thiện điều kiện lao động của con người trong nhiều ngành công nghiệp như: dệt, thực phẩm, giấy, in, máy chính xác, tin học, điện tử, kỹ thuật điều hòa không khí ngày càng được áp dụng để tạo ra môi trường không khí có nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ và độ trong sạch và độ ồn thích hợp. Như vậy, con người và sản xuất đều cần có môi trường không khí với các thông số thích hợp. Môi trường không khí tự nhiên không thể đáp ứng được những đòi hỏi đó. Vì vậy, phải sử dụng các biện pháp tạo ra vi khí hậu nhân tạo bằng thông gió hoặc điều tiết không khí. 1.1.3. Phân loại hệ thống điều hoà không khí Hệ thống điều hòa không khí là một tập hợp các máy móc, thiết bị, dụng cụ để tiến hành các quá trình xử lý không khí nhằm đáp ứng nhu cầu tiện nghi và công nghệ. Việc phân loại các hệ thống điều hòa không khí là rất phức tạp vì chúng quá đa dạng và phong phú đáp ứng mọi nhu cầu của đời sống và sản xuất. Có thể phân loại theo mục đích ứng dụng, theo tính chất quan trọng hay theo tính tập trung. Dưới đây đồ án sẽ giới thiệu một số loại điều hòa không khí điển hình. SV: Trần Hồng Hệ_Lớp: Máy & TBNLA-K51 Page 6 Viện KH & CN Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp 1.1.3.1. Hệ thống điều hòa cục bộ a. Máy điều hoà cửa sổ Máy điều hoà cửa sổ là loại máy điều hoà không khí nhỏ nhất cả về năng suất lạnh và kích thước cũng như khối lượng. Toàn bộ các thiết bị chính như máy nén, dàn ngưng, dàn bay hơi, quạt giải nhiệt, quạt gió lạnh, các thiết bị điều khiển, điều chỉnh tự động, phin lọc gió, khử mùi của gió tươi cũng như các thiết bị phụ khác được lắp đặt trong một vỏ gọn nhẹ. Năng suất lạnh dưới 24000 Btu/h và thường chia ra 5 loại 6, 9, 12, 18 và 24 ngàn Btu/h. Máy được lắp đặt ngay trên tường ngăn cách giữa không gian cần điều hòa và bên ngoài. Máy điều hòa cửa sổ thường được chế tạo có hình dạng như hình 1.1. Hình 1.1. Máy điều hòa cửa sổ b. Máy điều hoà tách * Máy điều hoà hai cụm Máy điều hoà hai cụm là loại máy có một dàn nóng và một dàn lạnh. Cụm dàn lạnh được đặt ở trong nhà bao gồm dàn lạnh, bảng mạch điều khiển và quạt. Cụm dàn nóng được đặt ở ngoài trời bao gồm máy nén, và quạt giải nhiệt. Hai cụm được nối với nhau bằng các đường ống gas đi và về. Máy điều hòa hai cụm được thể hiện trên hình 1.2. SV: Trần Hồng Hệ_Lớp: Máy & TBNLA-K51 Page 7 Viện KH & CN Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp Hình 1.2. Máy điều hòa 2 cụm * Máy điều hoà nhiều cụm Máy điều hoà nhiều cụm là máy điều hoà có một dàn nóng với nhiều dàn lạnh bố trí cho các phòng khác nhau. Các loại dàn lạnh cho máy điều hoà nhiều cụm rất đa dạng, từ loại treo tường truyền thống đến loại treo trần, treo trên sàn, giấu trần có hoặc không có ống gió, năng suất lạnh của các dàn lạnh thông thường từ 2,5 đến 6 thậm chí 7 kW. Hệ thống điều hòa nhiều cụm được thể hiện trên hình 1.3. Hình 1.3. Máy điều hòa nhiều cụm 1.1.3.2. Hệ thống điều hoà (tổ hợp) gọn a. Máy điều hoà hai cụm không ống gió Máy điều hoà hai cụm không ống gió là máy điều hoà không khí không được phép lắp thêm ống gió vì quạt dàn bay hơi có cột áp nhỏ. Có thể nói, nhiều máy điều hoà hai cụm của hệ thống điều hoà gọn và của hệ thống điều hoà cục bộ chỉ khác nhau về cỡ máy hay năng suất lạnh, do đó kết cấu của cụm dàn nóng và dàn lạnh đôi khi cũng có nhiều kiểu dáng hơn. SV: Trần Hồng Hệ_Lớp: Máy & TBNLA-K51 Page 8 Viện KH & CN Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp Máy điều hoà kiểu tủ thường sử dụng cho các hội trường, nhà khách, nhà hàng, văn phòng tương đối rộng. Dàn bay hơi với quạt gió thổi tự do, không có ống gió, năng suất lạnh đến 14 kW hay 48000 Btu/h. b. Máy điều hoà hai cụm có ống gió Máy điều hoà hai cụm có ống gió thường được gọi là máy điều hoà hai cụm thương nghiệp, năng suất lạnh từ 36000 đến 240000 Btu/h. Dàn lạnh được bố trí quạt ly tâm cột áp cao nên có thể lắp thêm ống gió để phân phối đều gió trong phòng rộng hoặc đưa gió đi xa phân phối cho nhiều phòng khác nhau. c. Máy điều hoà dàn ngưng đặt xa Đại bộ phận các máy điều hoà tách có máy nén bố trí chung với cụm dàn nóng. Nhưng trong một số trường hợp, máy nén lại nằm trong cụm dàn lạnh. Trường hợp này người ta gọi là máy điều hoà có dàn ngưng đặt xa. Máy điều hoà dàn ngưng đặt xa cũng có chung các ưu nhược điểm của máy điều hoà tách. Tuy nhiên do đặc điểm máy nén bố trí ở cụm dàn lạnh nên độ ồn trong nhà cao. Chính vì lý do đó, máy điều hoà dàn ngưng đặt xa không thích hợp cho điều hoà tiện nghi. Chỉ nên sử dụng loại máy này cho điều hoà công nghệ hoặc thương nghiệp trong các phân xưởng hoặc cửa hàng, những nơi chấp nhận được tiếng ồn của nó. d. Máy điều hoà lắp mái. Máy điều hoà lắp mái là máy điều hoà nguyên cụm có năng suất lạnh trung bình và lớn, chủ yếu dùng trong thương nghiệp và công nghiệp. Cụm dàn nóng và dàn lạnh được gắn liền với nhau thành một khối duy nhất. Quạt dàn lạnh là loại quạt ly tâm cột áp cao, máy được bố trí ống phân phối gió lạnh và ống gió hồi có thể dẫn gió đi xa. Ngoài khả năng lắp đặt máy trên mái bằng của phòng điều hoà còn có khả năng lắp máy ở ban công hoặc mái hiên hoặc giá chìa sau đó bố trí đường ống gió cấp và gió hồi hợp lý và đúng kỹ thuật, mỹ thuật là được. SV: Trần Hồng Hệ_Lớp: Máy & TBNLA-K51 Page 9 Viện KH & CN Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp Các máy điều hoà lắp mái có giá thành thấp, vận hành đơn giản, độ bền cao, nhưng chạy hơi ồn. Các đoạn ống gió lộ thiên cần được bọc kim loại chống mưa nắng để giảm tổn thất nhiệt và bảo đảm tuổi thọ của máy. e. Máy điều hoà nguyên cụm giải nhiệt nước Do bình ngưng giải nhiệt nước rất gọn nhẹ, không chiếm diện tích và thể tích lắp đặt lớn như bình ngưng giải nhiệt gió nên thường được bố trí cùng với máy nén và dàn bay hơi thành một tổ hợp hoàn chỉnh dạng tủ. Phía trên dàn bay hơi là quạt ly tâm, do bình ngưng làm mát bằng nước nên máy thường đi kèm tháp giải nhiệt và bơm nước. Một số ưu điểm: - Độ tin cậy cao, giá thành rẻ, gọn nhẹ, tuổi thọ và mức độ tự động cao. - Lắp đặt nhanh chóng, vận hành kinh tế trong điều kiện tải thay đổi. - Có cửa lấy gió tươi, bố trí dễ dàng cho các phân xưởng sản xuất, các nhà hàng, siêu thị nơi chấp nhận độ ồn cao. f. Máy điều hoà VRV Máy điều hòa VRV là loại máy điều chỉnh năng suất lạnh qua việc điều chỉnh lưu lượng môi chất nhờ vào việc sư dụng máy nén biến tần, làm cho hệ số lạnh không những được cải thiện mà còn vượt nhiều hệ máy thông dụng. Đây là loại máy thích hợp cho các tòa nhà cao tầng kiểu văn phòng và khách sạn. Một số đặc điểm nổi bật của hệ VRV được nêu ra dưới đây: - Các thông số vi khí hậu được khống chế phù hợp với từng nhu cầu vùng, kết nối trong mạng điều khiển. - Các máy VRV có dải công suất rộng và hợp lý lắp ghép với nhau thành các mạng đáp ứng nhu cầu năng suất lạnh khác nhau từ 5HP đến 54HP - Không cần thiết phải có máy dự trữ hệ vẫn tiếp tục vận hành trong trường hợp một trong các cụm máy hư hỏng do đó giảm chi phí đầu tư, hệ làm việc ở khoảng nhiệt độ rất rộng. SV: Trần Hồng Hệ_Lớp: Máy & TBNLA-K51 Page 10