Sơ đồ khối của MLHT H2O – LiBr loại Single Effect đƣợc thể hiện trên hình 4.2
Hình 4.2: Sơ đồ khối của MLHT H2O – LiBr loại Single Effect
Các điểm đặc trƣng trên sơ đồ:
2 – Hơi nƣớc quá nhiệt bay ra khỏi BPS 2’ – Nƣớc lỏng sơi sau khi ngƣng tụ trong BN
3 – Hơi nƣớc ở trạng thái bão hịa ẩm sau khi qua TL đi vào BBH 3” – Hơi nƣớc ở trạng thái bão hịa khơ ra khỏi BBH đi vào BHT 4 – Dung dịch lỗng ra khỏi BHT vào bình HN
5 – Dung dịch đậm đặc ra khỏi bình HN vào BHT 6 – Dung dịch đậm đặc rời khỏi BPS vào bình HN 7 – Dung dịch lỗng ra khỏi bình HN vào BPS tc1, tc2 – nhiệt độ nƣớc cần làm lạnh vào và ra BBH tw1, tw2 – nhiệt độ nƣớc làm mát vào và ra BHT tw3, tw4 – nhiệt độ nƣớc làm mát vào và ra BN th1, th2 – nhiệt độ nƣớc nĩng vào và ra BPS
http://www.ebook.edu.vn 37
Xác định nhiệt độ bay hơi t0
Từ tc2 chọn nhiệt độ TNL sơi trong BBH thấp hơn nhiệt độ nƣớc cần làm lạnh ra khỏi bình bay hơi khoảng 2~4 0C:
t0 = tc2 - 3
Xác địnháp suất bay hơi p0
Từ t0 dùng cơng thức (4.8) ta cĩ đƣợc áp suất bão hịa tƣơng ứng.
Xác định nhiệt độ nƣớc giải nhiệt:
Do sơ đồ giải nhiệt của MLHT theo catalog nhà sản xuất là nối tiếp, nƣớc giải nhiệt qua BHT sau đĩ qua BN nên tw3 = tw2. Phụ tải nhiệt BHT lớn so với BN, do đĩ độ tăng nhiệt độ trong BHT lớn hơn độ tăng nhiệt độ trong BN một ít. Độ tăng nhiệt độ tổng cộng theo catalog của nhà sản xuất là 50
C. Vậy ta chọn độ tăng nhiệt độ của nƣớc khi qua BHT là 30C, độ tăng nhiệt độ của nƣớc khi qua BHT là 20
C. tw2 = tw1 + 3
tw3 = tw2 tw4 = tw3 + 2
Xác định nhiệt độ ngƣng tụ:
Thơng thƣờng chọn cao hơn nhiệt độ nƣớc giải nhiệt ra khỏi bình ngƣng khoảng 3~5 0C
tk = tw4 + 4
Xác định áp suất ngƣng tụ:
Từ tk, dùng cơng thức (4.8) ta tính đƣợc áp suất ngƣng tụ tƣơng ứng.
Xác định nhiệt độ dung dịch lỗng ra khỏi BHT:
Chọn cao hơn nhiệt độ nƣớc giải nhiệt ra khỏi BHT 3 ~ 5 0C t4 = tw2 + 4
Xác định nồng độ dung dịch lỗng:
http://www.ebook.edu.vn 38
Xác định nhiệt độ dung dịch đậm đặc ra khỏi BPS:
Chọn thấp hơn nhiệt độ nguồn nhiệt cấp vào BPS 50C t6 = th1 – 5
Xác định nồng độ dung dịch đậm đặc
Từ tk và t6, dùng cơng thức (4.13) ta tính đƣợc nồng độ của dung dịch đậm đặc cs
Xác định nhiệt độ dung dịch đậm đặc ra khỏi HN
Nhiệt độ dung dịch đậm đặc ra khỏi HN nên cao hơn nhiệt độ kết tinh với nồng độ tƣơng ứng cs là trên 10 0C để đề phịng phát sinh kết tinh ở cửa ra của HN, thơng thƣờng tính theo cơng thức sau
t5 = t4 + 20
Phƣơng trình cân bằng nhiệt tại BPS
Hình 4.3: Bình phát sinh
qh + a.i7 = i2 + (a – 1).i6
Trong đĩ: a – bội số tuần hồn (kg dung dịch lỗng / kg tác nhân lạnh) s s w c a c c Từ t6 và cs, dùng cơng thức (4.1) ta xác định đƣợc i6
Trạng thái điểm 2 đƣợc xác định dựa vào nồng độ trung bình ci và pk
ci = 0,5.(cw + cs)
Ứng với ci và pk, dùng cơng thức (4.11) ta cĩ nhiệt độ sơi tƣơng ứng t2 Từ t2 và pk dùng cơng thức (4.10) suy ra i2
Dung dịch lỗng
Dung dịch đậm đặc Hơi nƣớc
http://www.ebook.edu.vn 39
Phƣơng trình cân bằng nhiệttại BN:
Hình 4.4: Bình ngưng
qk + i2’ = i2
Ứng với tk, dùng cơng thức (4.4) ta cĩ i2’
Phƣơng trình cân bằng nhiệttại BBH:
Hình 4.5: Bình bốc hơi q0 = i3” – i3 Trong đĩ: i3 = i2’ Từ t0 dùng cơng thức (4.5) ta cĩ i3’’ Hơi nƣớc Nƣớc ngƣng
http://www.ebook.edu.vn 40
Phƣơng trình cân bằng nhiệttại BHT:
Hình 4.6: Bình hấp thụ
qa + a.i4 = i3” + (a – 1).i5
Từ t4 và cw dùng cơng thức (4.10) ta tính đƣợc i4
Phƣơng trình cân bằng nhiệttại HN
Hình 4.7: Bộ trao đổi nhiệt
(a – 1).(i6 – i5) = a.(i7 – i4) Từ t5 và cs dùng cơng thức (4.10) ta tính đƣợc i5 Suy ra: 7 4 6 5 a 1 i i .(i i ) a
Đến đây, ta đã cĩ thơng số nhiệt động tại các điểm đặc trƣng của chu trình. Tính năng suất lạnh đơn vị q0 từ đĩ tính đƣợc lƣu lƣợng TNL qua BBH
q0 = i3” – i3 0 r 0 Q m (kg / s) q
http://www.ebook.edu.vn 41
Tính phụ tải nhiệt của BPS qh = i2 + (a – 1).i6 – a.i7
h r h
Q m .q (kW)
Tính năng suất giải nhiệt BN qk = i2 – i2’
k r k
Q m .q (kW)
Tính năng suất giải nhiệt BHT qa = i3” + (a – 1).i5 - a.i4 a r a Q m .q (kW) Hệ số COP của MLHT 0 h Q COP Q
Từ các cơng thức đã trình bày, xây dựng chƣơng trình tính tốn chu trình MLHT dựa trên ngơn ngữ C#. Các đoạn code của chƣơng trình đƣợc trình bày ở phụ lục 1 và 2. Phụ lục 1 trình bày đoạn code của chƣơng trình chính để tính tốn chu trình MLHT. Phụ lục 2 trình bày đoạn code của chƣơng trình con dùng để tính tốn thơng số nhiệt động theo các cơng thức ở mục 4.2.1.
Giao diện chƣơng trình đƣợc trình bày ở hình 4.8 và 4.9. Giao diện chính (Hình 4.8) cho biết phụ tải nhiệt của BPS, năng suất giải nhiệt của BN và BHT cũng nhƣ hệ số COP của chu trình. Nếu muốn biết thơng số các điểm đặc trƣng của chu trình cĩ thể chọn nút “Thơng số các điểm đặc trƣng”, kết quả thể hiện ở giao diện hình 4.9.
Thơng số tính tốn ban đầu:
Nhiệt độ nƣớc lạnh cung cấp cho QTCN là 200C. Sau khi giải nhiệt cho khuơn ép thì nhiệt độ nƣớc tăng lên 250C. Nhƣ vậy chọn nhiệt độ nƣớc ra khỏi MLHT là 150
C, nhiệt độ nƣớc vào MLHT là 200C. Nhiệt độ nƣớc nĩng cung cấp cho MLHT là 900C. Nhiệt độ nƣớc giải nhiệt lấy tại điều kiện mơi trƣờng Việt Nam là 320C. Nhƣ vậy:
tc1 = 200C tc2 = 150C th1 = 900C tw1 = 320C Q0 = 1266 kW
http://www.ebook.edu.vn 42
Hình 4.8: Giao diện chính của chương trình
http://www.ebook.edu.vn 43
Nhận xét kết quả tính tốn:
Hệ số COP của chu trình là 0,77 cao hơn hệ số COP trung bình của MLHT Single Effect 0,75. Nguyên nhân là do nhiệt độ bay hơi t0 (hay áp suất bay hơi p0) của tác nhân lạnh cao hơn. Ở máy lạnh cĩ máy nén hơi thì khi áp suất p0 tăng (tƣơng ứng t0 tăng) thì sẽ làm giảm cơng tiêu hao của máy nén và tăng hệ số COP của chu trình. Cịn ở MLHT khi tăng p0 (hay t0) thì sẽ làm giảm giá trị cw. Cĩ thể quan sát điều này trên đồ thị hình 4.10
Hình 4.10: Đồ thị liên hệ giữa áp suất - nhiệt độ và nồng độ của dung dịch H2O - LiBr
Khi tính tốn nồng độ dung dịch lỗng ta dựa vào nhiệt độ dung dịch lỗng ra khỏi BHT t4 và nhiệt độ bay hơi của tác nhân lạnh t0. Nhiệt độ dung dịch t4 phụ thuộc vào nhiệt độ nƣớc giải nhiệt, trong trƣờng hợp này là khơng đổi. Nhƣ vậy ứng với đƣờng nhiệt độ dung dịch là hằng số, ta thấy khi nâng nhiệt độ bay hơi thì nồng độ dung dịch lỗng cw giảm dần.
Điều này dẫn đến tăng hiệu số (cs – cw) và giảm bội số tuần hồn a. Khi a giảm nghĩa là giảm lƣợng dung dịch lỗng trên 1 kg tác nhân lạnh, cĩ nghĩa là giảm năng lƣợng cấp vào BPS. Do vậy hệ số COP của chu trình sẽ tăng lên là điều hợp lý. Tuy nhiên cần xem xét lại giá trị của COP cĩ thể khơng đúng với thực tế do trong quá trình tính tốn, ta đã chọn lựa một vài thơng số để tính tốn, điều này cĩ thế dẫn đến những sai lệch nhất định. Trong giới hạn của luận văn khơng đi sâu về nghiên cứu MLHT nên chỉ nêu ra một vài nhận xét sơ bộ về kết quả tính tốn.
Nhi ệt độ bã o hịa tác nhâ n lạ nh, 0 C Áp su ấ t bã o hịa tác nhâ n lạ nh, k P a
http://www.ebook.edu.vn 44
CHƢƠNG 5: TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ THU HỒI NHIỆT THẢI 5.1 Tính tốn sơ đồ nhiệt
Hình 5.1: Sơ đồ nhiệt của phương án
5.1.1 Tính lƣợng hơi trích bổ sung
Từ năng suất lạnh của MLHT tƣơng ứng với hệ số COP là 0,75; ta suy ra đƣợc cơng suất nhiệt cần cung cấp là:
0 h
Q 1266
Q 1688kW
COP 0,75
Cơng suất nhiệt bổ sung do trích hơi vào bồn nƣớc nĩng là: Qbs = Qh – Qtd = 1688 – 1037,46 = 650,54 kW
Khi trích hơi gia nhiệt cho nƣớc nĩng thì nƣớc ngƣng sau thiết bị trao đổi nhiệt của bồn nƣớc nĩng sẽ đƣợc đƣa về bồn nƣớc cấp và lúc này lại tiếp tục xảy ra sự phân ly hơi. Lƣợng hơi phân ly mới này bổ sung vào nguồn nhiệt thải và giúp giảm đi cơng suất nhiệt bổ sung đồng thời làm giảm lƣợng hơi trích. Tuy nhiên, khi lƣợng hơi trích giảm thì cũng dẫn đến lƣợng hơi phân ly mới giảm, kết quả là giảm cơng suất nhiệt và
http://www.ebook.edu.vn 45
phải tăng lƣợng hơi trích. Quá trình tính tốn sẽ lặp lại đến khi lƣợng nhiệt do hơi trích và do hơi phân ly mới bằng với lƣợng nhiệt bổ sung Qbs.
Trình tự tính tốn:
Tính lượng hơi trích bổ sung
Hơi bổ sung này đƣợc lấy từ ống gĩp. Hơi mới từ lị hơi cĩ áp suất tuyệt đối 8,35 bar. Chọn tổn thất áp suất là 5%, nhƣ vậy hơi trích vào bồn nƣớc nĩng cĩ áp suất:
p = 8,35.(1- 0,05) ≈ 8 bar
Tra bảng nƣớc và hơi nƣớc bão hịa, ở áp suất 8 bar ta cĩ ẩn nhiệt hĩa hơi r = 2048 kJ/kg. Suy ra lƣợng hơi trích cần thiết là:
ht ht
Q
G kg / h
r
Tính lượng hơi phân ly mới
Lƣợng hơi này sau khi gia nhiệt cho nƣớc thì sẽ ngƣng tụ ở áp suất tƣơng ứng, sau đĩ lại đƣợc đƣa trở về bồn nƣớc cấp. Chọn tổn thất áp suất là 5%, nhƣ vậy nƣớc ngƣng khi vào bồn nƣớc cấp cĩ áp suất:
p = 8.(1-0,05) = 7,6 bar
Áp suất bồn nƣớc cấp là 1 bar, nhƣ vậy sẽ cĩ thêm một lƣợng hơi phân ly mới đƣợc sinh ra bổ sung vào nguồn nhiệt thải. Từ bảng nƣớc và hơi nƣớc bão hịa, ứng với áp suất 7,6 bar và 1 bar, ta cĩ:
p = 1 bar: i’ = 417,4 kJ/kg i” = 2675 kJ/kg p = 7,6 bar: i’ = 711,42 kJ/kg Ta cĩ hệ phƣơng trình: h n ht h n ht D D G 2675.D 417, 4.D G .711, 42
Giải hệ phƣơng trình trên ta tìm đƣợc Dh – lƣợng hơi phân ly mới
Tính lượng nhiệt do hơi phân ly mới bổ sung thêm
h pl
D
Q (2675 417, 4)
http://www.ebook.edu.vn 46
Tính lượng nhiệt của hơi trích mới
Gọi ΔQ là chênh lệch giữa tổng nhiệt lƣợng của hơi trích Qht và hơi phân ly mới Qpl so với Qbs cần thiết ban đầu
ΔQ = Qht + Qpl – Qbs
Nếu ΔQ > 0, nghĩa là nhiệt lƣợng do hơi trích và hơi phân ly mới lớn hơn so với yêu cầu. Khi đĩ ta phải giảm lƣợng hơi trích.
Nếu ΔQ < 0, nghĩa là nhiệt lƣợng do hơi trích và hơi phân ly mới nhỏ hơn so với yêu cầu. Khi đĩ ta phải tăng lƣợng hơi trích.
Tổng quát:
Qht mới = Qht cũ – ΔQ
Khi cĩ Qht mới, quá trình tính tốn sẽ lặp lại đến khi chênh lệch ΔQ < 0,03 là đạt yêu cầu.
Sử dụng phần mềm Excel để tính tốn, kết quả đƣợc trình bày ở bảng 5.1. Do ban đầu chƣa cĩ hơi phân ly mới nên Qht ở lần tính thứ 1 bằng với Qbs.
Bảng 5.1: Kết quả tính lượng hơi trích bổ sung
Lần Qht (kW) Ght (kg/h) Dh (kg/h) Qpl (kW) ΔQ (kW) 1 650,54 1143,5273 148,928 93,3944 93,3944 2 557,1456 979,3575 127,5473 79,9863 -13,4081 3 570,5537 1002,9264 130,6168 81,9112 1,9249 4 568,6288 999,5428 130,1761 81,6349 -0,2763 5 568,9051 1000,0285 130,2394 81,6746 0,0397 6 568,8654 999,9587 130,2303 81,6689 -0,0057 Sau 6 lần lặp ta cĩ lƣợng hơi trích cần thiết là:
Ght ≈ 1000 kg/h Lƣợng hơi phân ly mới là:
Dh ≈ 130 kg/h
Nhƣ vậy, tổng lƣợng hơi phân ly là: Dh = 1179 + 130 = 1309 kg/h
http://www.ebook.edu.vn 47
Lƣợng nhiệt thu hồi của tồn bộ hơi phân ly:
pl h
1309
Q D .r .(2674 417, 4) 820,89 kW
3600
5.1.2 Tính lƣợng nƣớc qua các thiết bị thu hồi nhiệt
Gọi chỉ số của bồn nƣớc nĩng, thiết bị thu hồi nhiệt hơi phân ly, thiết bị thu hồi khĩi thải của lị hơi số 3 và thiết bị thu hồi nhiệt khĩi thải của lị hơi số 4 lần lƣợt là 1, 2, 3 và 4 (hình 5.1)
Chọn độ gia nhiệt của nƣớc khi qua các thiết bị thu hồi nhiệt khĩi thải là 30C. 0
3 4
t t 3 C
Tổn thất nhiệt của các thiết bị THNT là 5%
Lƣu lƣợng nƣớc qua thiết bị thu hồi nhiệt khĩi thải của lị hơi số 3: k3 3 p 3 Q .0,95 191,07.0,95 G 14, 41kg / s c . t 4, 2.3
Lƣu lƣợng nƣớc qua thiết bị thu hồi nhiệt khĩi thải của lị hơi số 4: k 4 4 p 4 Q .0,95 107, 03.0,95 G 8, 07 kg / s c . t 4, 2.3
Lƣu lƣợng nƣớc qua thiết bị thu hồi nhiệt hơi phân ly: G2 = G3 + G4 = 14,41 + 8,07 = 22,48 kg/s
Độ gia nhiệt của nƣớc qua thiết bị thu hồi nhiệt hơi phân ly: pl 2 2 p Q .0,95 820,89.0,95 t 8,3 G .c 22, 48.4, 2 0 C
Chênh lệch của nƣớc nĩng cấp cho MLHT là 50C. Nhƣ vậy sau khi qua MLHT nhiệt độ nƣớc trở về bồn chứa là 850C.
t1” = t2’ = 850C
Nhiệt độ nƣớc sau khi thiết bị thu hồi nhiệt hơi phân ly: t2” = t2’ + Δt2 = 85 + 8,3 = 93,30C
t3’ = t4’ = t2” = 93,30C
Nhiệt độ nƣớc sau khi thiết bị thu hồi nhiệt khĩi thải: t3” = t3’ + Δt3 = 93,3 + 3 = 96,30C
http://www.ebook.edu.vn 48
5.2 Thiết bị thu hồi nhiệt hơi phân ly
Thiết bị thu hồi nhiệt hơi phân ly dùng để ngƣng tụ hơi phân ly từ bồn nƣớc cấp và gia nhiệt cho nƣớc nĩng cấp cho MLHT. Thiết bị thu hồi nhiệt này cĩ dạng vỏ bọc chùm ống với nƣớc đi trong ống và hơi phân ly ngƣng tụ bên ngồi. Sau khi ngƣng tụ, nƣớc ngƣng đƣợc đƣa trở lại bồn nƣớc cấp. Do hệ số tỏa nhiệt hơi ngƣng tụ và nƣớc lƣu động cƣỡng bức trong ống đều lớn nên các ống đƣợc dùng đều là ống thép trơn. Thiết bị này khơng phải chịu áp lực lớn do hơi phân ly cĩ áp suất 1 bar nên ta chọn kết cấu cĩ dạng hình chữ nhật. Điều này cho phép chế tạo dễ dàng hơn, chỉ cần dùng các tấm thép hàn lại nên giảm chi phí chế tạo. Hơi phân ly bốc lên từ bồn nƣớc cấp sẽ đƣợc đƣa vào hộp chứa hơi và đi vào phần ngƣng tụ. Hộp chứa hơi cĩ vai trị hƣớng dịng hơi phân ly để quá trình ngƣng tụ từ trên xuống.
Hình 5.2: Thiết bị thu hồi nhiệt hơi phân ly
Hơi phân ly sau khi đƣợc ngƣng tụ thành nƣớc ngƣng sẽ trở về bồn nƣớc cấp qua một ống nƣớc (hình 5.3). Cách bố trí nhƣ vậy nhằm tách biệt 2 đƣờng hơi phân ly và nƣớc ngƣng, đảm bảo cho hơi đi vào 1 đƣờng và nƣớc ngƣng đi ra 1 đƣờng.
Hơi bốc lên đi vào phần ngƣng tụ
Hộp chứa hơi
http://www.ebook.edu.vn 49
Hình 5.3: Ngưng tụ trong thiết bị thu hồi nhiệt hơi phân ly
Các thơng số dự kiến về kết cấu
Kích thƣớc ống:
Đƣờng kính ngồi: dng = 26,7 mm Đƣờng kính trong: dtr = 22,48 mm Bề dày ống: δ = 2,11 mm
Ống thép trơn cĩ hệ số dẫn nhiệt λ = 54,4 W/m.K
Bố trí ống trên mặt sàn hình chữ nhật đƣợc trình bày trong hình 5.4
Hình 5.4: Mặt sàng của thiết bị thu hồi nhiệt