P.2.1 Cơ sở lý thuyết
Quá trình giãn nở trong ejector đƣợc biểu diễn trên đồ thị i – s ở hình P.2
Hình P.2: Quá trình giãn nở trong ejector
Hơi cơng tác cĩ áp suất cao (điểm 1) giãn nở từ áp suất p1 đến p2. Trong ống phun, năng lƣợng của dịng hơi đƣợc chuyển thành động năng, hơi ra khỏi ống phun đi vào buồng hịa trộn cĩ áp suất p2 = p3 = p4 nhỏ hơn áp suất trong bồn nƣớc cấp p3’ (khoảng 0,05 bar). Nhƣ vậy hơi phân ly từ bồn nƣớc cấp (điểm 3’) đƣợc hút vào buồng hịa trộn, trộn lẫn với dịng hơi cơng tác. Hơi cơng tác truyền một phần động năng cho hơi phân ly và đẩy nĩ vào ống tăng áp. Ở đây, động năng của tồn bộ hỗn hợp (điểm 4) giảm dần để áp suất của chúng tăng lên (điểm 5).
Điểm 3’ là điểm ứng với trạng thái hơi phân ly trƣớc khi đƣợc hút vào buồng hịa trộn (p = 1 bar). Áp suất trong buồng hịa trộn nhỏ hơn áp suất đầu hút nên trên thực tế sẽ xảy ra quá trình giãn nở 3’ – 3 nhƣ trên đồ thị.
http://www.ebook.edu.vn 93
Tồn bộ quá trình làm việc trong ejector cĩ thể chia làm 3 giai đoạn: Hơi cơng tác giãn nở trong ống tăng tốc (ống phun)
Hịa trộn giữa hơi cơng tác và hơi phân ly trong buồng hịa trộn
Nén hỗn hợp hơi cơng tác và hơi phân ly trong ống tăng áp (ống khuyếch tán)
Sự thay đổi áp suất và vận tốc của dịng hơi đƣợc thể hiện trên hình P.3
Hình P.3: Sự thay đổi áp suất và vận tốc trong ejector
Áp suất Vận tốc Vận tốc âm thanh Ống phun Buồng hịa trộn Ống tăng áp Hơi cơng tác Hơi phân ly Hơi phân ly Hơi cơng tác Hơi cơng tác Hơi phân ly 2 2 2 1 3 4 5 1 3 4 3 4 5
http://www.ebook.edu.vn 94
Quá trình giãn nở trong ống phun (quá trình 1 - 2 trên đồ thị)
Tốc độ mơi chất ra khỏi ống phun:
2 2h1 2h01 với φ là hệ số tốc độ (φ = 0,94 ÷ 0,96) h1 = φ2.h01
Quá trình hịa trộn
Phƣơng trình bảo tồn động lƣợng G1.ω2 + G3. ω3 = (G1 + G3). ω4
Bỏ qua tốc độ của hơi phân ly ω3 = 0 G1.ω2 = (G1 + G3). ω4 1 4 2 1 3 G G G Đặt 1 1 3 G G G : hệ số lƣu lƣợng 4 . 2
Phƣơng trình cân bằng năng lƣợng và cân bằng khối lƣợng cho ejector
1 1 3 3 5 5 G .i G .i G .i G1 + G3 = G5 Chia 2 vế cho (G1 + G3) 3 1 1 3 5 1 3 1 3 G G .i .i i G G G G 3 1 1 1 1 3 5 1 3 1 3 G G G G .i .i i G G G G 1 3 5 .i (1 ).i i
Quá trình nén hỗn hợp trong ống khuếch tán
2 2 5 4 4 5 i i 2 2 EJECTOR i1, G1 i3, G3 i5, G5
http://www.ebook.edu.vn 95
Bỏ qua vận tốc hỗn hợp sau khi nén ω5 = 0
2 4 5 4 i i 2 Thay ω4 = μ.ω2 2 2 2 2 2 1 h h 2
Hiệu suất của ống tăng áp là:
02 D 2 h h P.2.2 Tính tốn ejector
Mục tiêu của quá trình tính tốn là xác định lƣợng tiêu hao hơi để hút tồn bộ lƣợng hơi phân ly từ nƣớc ngƣng của quá trình sản xuất và nén lên áp suất cao hơn sao cho hiệu suất của ống tăng áp trong khoảng 75 ÷ 85%. Áp suất của hỗn hợp sau khi nén là 2,5 bar, dùng để cung cấp cho MLHT (theo catalog của EBARA).
Các thơng số ban đầu:
Áp suất hỗn hợp sau khi nén: p5 = 2,5 bar Áp suất hơi trích (đã trừ đi tổn thất): p1 = 8 bar Áp suất hơi phân ly trong bồn nƣớc cấp: p3’ = 1 bar Áp suất trong buồng hịa trộn: p2 = p3 = p4 = 0,95 bar Lƣợng hơi phân ly: G3 = 1179 kg/h
Bài tốn cĩ nhiều ẩn nên ta áp dụng cách tính gần đúng. Trình tự tính tốn nhƣ sau:
Xác định các điểm 2, 3 trên đồ thị
Do 2 đƣờng đẳng áp 0,95 bar và 2,5 bar gần song song nên quá trình nén lý thuyết h02 của điểm hịa trộn (điểm 4) nằm giữa điểm 2 và 3 là gần bằng nhau. Dựa vào đồ thị ta xác định đƣợc giá trị h02 này.
Chọn hiệu suất ống tăng áp, từ đĩ tính đƣợc giá trị h2
http://www.ebook.edu.vn 96
Tính tốn quá trình giãn nở trong ống phun:
Từ bảng thơng số nhiệt động của nƣớc và hơi nƣớc, ở áp suất 8 bar, ta cĩ: i1 = 2769 kJ/kg s1 = 6,663 kJ/kg.độ
Ứng với s1 = 6,663 kJ/kg.độ và p1t = p2 = 0,95 bar; ta cĩ i1t = 2408 kJ/kg
Suy ra nhiệt giáng lý thuyết là:
h01 = i1 – i1t = 2769 – 2408 = 361 kJ/kg Nhiệt giáng thực tế:
h1 = φ2.h01 = 0,952.361 = 325,8 kJ/kg Enthalpy của hơi ở điểm 2:
i2 = i1 – h1 = 2769 – 325,8 = 2443,2 kJ/kg
Tính tốn quá trình hút hơi phân ly vào buồng hịa trộn
Từ bảng thơng số nhiệt động của nƣớc và hơi nƣớc, ở áp suất 1 bar, ta cĩ: i3’ = 2675 kJ/kg s3’ = 7,36 kJ/kg.độ
Quá trình hơi phân ly đƣợc hút vào buồng hịa trộn cũng là quá trình giãn nở 3’ – 3. Từ bảng thơng số vật lý của nƣớc và hơi nƣớc: ứng với s3’ = 7,36 và p = 0,95 bar; ta tra đƣợc i = 2667 kJ/kg. h03 = i3’ – i = 2675 – 2667 = 8 kJ/kg Chọn hệ số tốc độ φ = 0,97 h3 = φ2.h03 = 0,952.8 = 7,2 kJ/kg i3 = i3’ – h3 = 2675 – 7,2 = 2667,8 kJ/kg Tính tốn quá trình nén
Ta xác định giá trị h02 nhƣ sau: từ điểm 2 và 3 đã xác định trên đồ thị kẻ đƣờng thẳng (ứng với quá trình nén lý thuyết) gặp đƣờng đẳng áp p = 2,5 bar, nhƣ vậy ta tính đƣợc 2 giá h02 tại điểm này; giá trị h02 của điểm 4 bằng trung bình của 2 giá trị h02 vừa tính (xem hình P.4).
Điểm 2:
h02 = 2590 – 2443,2 = 146,8 kJ/kg Điểm 3:
http://www.ebook.edu.vn 97
Hình P.4: Đồ thị i - s
Suy ra giá trị h02 trung bình là:
h02 = 0,5.(146,8 + 182,2) = 164,5 kJ/kg Chọn hiệu suất của ống tăng áp ηD = 80%
02 2 D h 164, 5 h 205, 63 kJ / kg 0,8 Từ đĩ suy ra: 2 1 h 205, 63 0, 79 h 325,8
Từ đĩ tính đƣợc lƣợng hơi cơng tác cần thiết:
1 3
0,79
G G . 1179. 4435 kg / h
1 1 0,79
Tổng lƣợng hơi sau ejector:
G5 = G1 + G3 = 4435 + 1179 = 5614 kg/h 2 3 i kJ/kg s 2400 2500 2600 2700 2800 p = 1 bar p = 2,5 bar p = 0,5 bar 2900
http://www.ebook.edu.vn 98
Từ lƣợng hơi ta cĩ thể xác định đƣợc kích thƣớc tại các tiết diện của ejector. Cách tính tốn cĩ thể tham khảo tài liệu [1] và [11], trong giới hạn của luận văn chỉ trình bày hiệu quả đạt đƣợc.
Trạng thái hơi sau ejector
5 1 3
i .i (1 ).i 0,79.2769 (1 0,79).2667,8 2747,75kJ / kg
Nhiệt lƣợng do tổng lƣợng hơi cung cấp
5 5
5614
Q G .(i i ') (2747, 75 535, 4) 3450 kW 3600
Đối với MLHT sử dụng hơi cĩ áp suất 2,5 bar thì chỉ là loại Single Effect nên chỉ số COP chỉ vào khoảng 0,75.
Năng suất lạnh tƣơng đƣơng
Q0 = Q.0,75 = 3450.0,75 = 2587,5 kW
Năng suất lạnh này gấp 4,47 lần năng suất lạnh của một chiller (579 kW).
Tuy nhiên, nếu dùng hơi lƣợng hơi trích ở trên (cĩ áp suất 8 bar) để cấp nhiệt cho MLHT loại Double Effect thì hiệu quả sẽ cao hơn.
Nhiệt lƣợng của hơi trích
1
4435
Q G .r .2048 2523kW
3600
Do MLHT Double Effect cĩ chỉ số COP cao hơn, COP = 1,3 nên năng suất lạnh tƣơng đƣơng
Q0 = Q.1,3 = 2523.1,3 = 3280 kW
Năng suất lạnh này gấp 5,67 lần năng suất lạnh của một chiller (579 kW).
P.3 Nhận xét
Năng suất lạnh khi dùng cùng một lƣợng hơi trích trực tiếp cấp nhiệt MLHT Double Effect cao hơn khi dùng gián tiếp qua ejector cấp cho MLHT Single Effect. Lý do là hiệu suất của MLHT Double Effect cao hơn Single Effect. Tuy nhiên, dù sử dụng hơi trích một cách trực tiếp hay gián tiếp thì tiêu hao nhiên liệu tăng lên vẫn khơng thể bù cho chi phí điện năng tiết kiệm đƣợc. Nguyên nhân là do chi phí nhiên liệu cao nhƣ đã đề cập ở chƣơng 6. Nhƣ vậy việc sử dụng ejector trong trƣờng hợp cấp nhiệt cho
http://www.ebook.edu.vn 99
MLHT khơng mang lại hiệu quả kinh tế. Thế nhƣng nếu nhiệt năng đƣợc sử dụng cho mục đích khác thì ejector mang lại hiệu quả thiết thực.
Giả sử, trong quy trình sản xuất cĩ một cơng đoạn cần sử dụng hơi cĩ áp suất 2,5 bar để gia nhiệt. Ứng với cơng suất nhiệt 3450 kW thì nếu ta dùng ejector để tận dụng nhiệt của hơi phân ly thì lƣợng hơi trích là 4435 kg/h. Nếu sử dụng hơi mới từ ống gĩp (áp suất 8 bar) qua van tiết lƣu giảm áp (đến 2,5 bar) thì lƣợng hơi cần thiết để đáp ứng cơng suất trên là:
h " ' 8 2,5 Q G (i i ) Trong đĩ: '' 8
i = 2769 kJ/kg – enthalpy của hơi trích từ ống gĩp ở áp suất 8 bar ''
2,5
i = 535,4 kJ/kg – enthalpy của nƣớc ngƣng ở áp suất 2,5 bar
h
3450
G 5560kg / h
(2769 535, 4)
Kết quả cho thấy việc tận dụng ejector để thu hồi nhiệt hơi phân ly đã tiết kiệm khoảng 20% nhiên liệu.
Ví dụ thực tế:
Cơng ty Nikkico (KCX Tân Thuận) – chuyên sản xuất thiết bị y tế
Hình P.5: Sơ đồ hệ thống nhiệt tại Cơng ty Nikkico
LÒ HƠI NƯỚC CẤP TỪ HT XỬ LÝ BUỒNG SẤY BUỒNG HẤP KHÓI 240oC 6 7 bar 600 kg/h XẢ LÒ ĐỊNH KỲ 1,5 bar 110oC 120oC 110oC 0,85 bar (95oC) HƠI XẢ TỚI HỐ XẢ NƯỚC CHÈN BƠM 16 l/ph
CÔNG TY NIKKICO - KCX TÂN THUẬN (Có 04 hệ thống nhiệt độc lập)
http://www.ebook.edu.vn 100
Dựa vào sơ đồ hệ thống nhiệt ở hình P.5 ta thấy một số điểm nhƣ sau: - Nhiệt độ khĩi thải vẫn cịn cao 2400C
- Nƣớc ngƣng sau buồng sấy và buồng hấp đƣợc đƣa thẳng tới hố xả mà khơng đƣợc thu hồi
Nhƣ vậy đã cĩ sự lãng phí cả vể năng lƣợng và khối lƣợng. Nếu lƣợng nƣớc ngƣng trên đƣợc đƣa về bồn nƣớc cấp thì sẽ sinh ra hơi phân ly cĩ áp suất 1 bar. Sau đĩ dùng hơi mới từ lị hơi (cĩ áp suất 6 ÷ 7 bar) qua ejector để nâng áp suất hơi phân ly lên tƣơng ứng với yêu cầu. Nhƣ vậy, ta đã thu hồi đƣợc cả về nhiệt lƣợng lẫn về khối lƣợng bị lãng phí đồng thời giảm đƣợc lƣợng tiêu hao nhiên liệu.
http://www.ebook.edu.vn 101
KẾT LUẬN
Luận văn đã trình bày phƣơng án thu hồi nhiệt thải tối ƣu nhằm tiết kiệm điện năng tiêu thụ cho doanh nghiệp. Đây là một vấn đề đang đƣợc quan tâm hiện nay do giá thành nhiên liệu biến động khơng ngừng làm ảnh hƣởng đến hoạt động sản xuất kinh doanh của các doanh nghiệp. Luận văn cũng trình bày cách tính tốn và thiết kế các thiết bị thu hồi nhiệt thải sao cho phù hợp với điều kiện thực tế của doanh nghiệp khảo sát.
Giá thành đầu tƣ của phƣơng án cuối cùng là 3,8 tỷ VNĐ. Với mức tiết kiệm chi phí điện năng hơn 900 triệu VNĐ mỗi năm thì sau 4,2 năm doanh nghiệp đã cĩ thể hồn vốn. Sau thời gian hồn vốn, doanh nghiệp cĩ thể dùng số tiền tiết kiệm để đầu tƣ cho các cơng nghệ khác để cĩ thể hoạt động sản xuất hiệu quả hơn đáp ứng nhu cầu cạnh tranh trên thị trƣờng. Ngồi chi phí tiết kiệm đƣợc thì doanh nghiệp cũng đã gĩp phần làm giảm lƣợng phát thải khí CO2 – nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng nĩng dần lên của trái đất hiện nay.
Bên cạnh phƣơng án đã nêu, luận văn trình bày một số tính tốn về thiết bị ejector dùng để thu hồi nhiệt lƣợng hơi phân ly cung cấp cho các QTCN khác. Đây là một hƣớng phát triển của luận văn trong lĩnh vực thu hồi nhiệt thải cho các doanh nghiệp để tiết kiệm năng lƣợng.
Từ những kết quả tính tốn, luận văn đƣa ra một số nhận định về khả năng ứng dụng máy lạnh hấp thụ tại Việt Nam là vẫn cịn hạn chế - nguyên nhân là do giá thành nhiên liệu khá cao. Nếu sử dụng các nhiên liệu rẻ tiền nhƣ trấu, than cám… hoặc sử dụng nguồn nhiệt thải để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ thì sẽ mang lại hiệu quả kinh tế hơn.
http://www.ebook.edu.vn 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hồng Đình Tín, Lê Chí Hiệp (1997) – Nhiệt động lực học kỹ thuật – NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[2] Hồng Đình Tín (2001) – Truyền nhiệt và tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt – NXB Khoa học và Kỹ thuật
[3] Lê Chí Hiệp (2004) – Máy lạnh hấp thụ trong kỹ thuật điều hịa khơng khí - NXB ĐH Quốc Gia TP. HCM.
[4] Lê Chí Hiệp (2007) – Kỹ thuật Điều hồ Khơng khí – NXB Khoa học và Kỹ thuật
[5] Nguyễn Văn Tuyên (2007) – Giáo trình Tuabin hơi nước & Tuabin khí – NXB ĐH Quốc Gia TP. HCM.
[6] Trần Thanh Kỳ (2006) – Máy lạnh - NXB ĐH Quốc Gia TP. HCM.
[7] Bùi Hải, Dƣơng Đức Hồng, Hà Mạnh Thƣ (2001) – Thiết bị trao đổi nhiệt – NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[8] Nguyễn Thị Minh Trinh (2008) – Nghiên cứu sử dụng nhiệt thải từ các động cơ đốt trong của trạm phát điện Phú Quốc để sản xuất nước đá bằng máy lạnh hấp thụ (NH3 + H2O) – Luận văn thạc sĩ – ĐH Bách Khoa TP. HCM
[9] Hồng An Quốc (2004) – Xây dựng phần mềm thiết kế máy lạnh hấp thụ H2O – LiBr – Luận văn thạc sĩ – ĐH Bách Khoa TP. HCM
[10] Keith E. Herold, Reinhard Radermacher, Sanford A. Klein (1995) -
Absorption Chillers and Heat Pumps – CRC Press, New York.
[11] Robert B. Power (1994) - Steam Jet Ejectors for the Process Industries – McGraw - Hill, New York.
[12] Trung tâm Tiết kiệm Năng lƣợng TP. HCM (2009) – Báo cáo kiểm tốn năng lượng Cơng ty TNHH Tae Kwang Vina Industrial.
[13] Cơng ty TNHH Ecozen – Bảng báo giá.
http://www.ebook.edu.vn 103
PHỤ LỤC 1
CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TỐN CHU TRÌNH MÁY LẠNH HẤP THỤ H20 – LiBr SINGLE EFFECT
public static double to, tk, t1, t2, t2_1, t3, t3_2, t4, t5, t6, t7; public static double po, pk;
public static double i1, i2, i2_1, i3, i3_2, i4, i5, i6, i7; public static double Cs, Cw;
private void btTinh_toan_Click(object sender, EventArgs e) { double tc1, tc2, th1, tw1, Qo; tc1 = double.Parse(txt_tc1.Text); tc2 = double.Parse(txt_tc2.Text); th1 = double.Parse(txt_th1.Text); tw1 = double.Parse(txt_tw1.Text); Qo = double.Parse(txt_Qo.Text);
//Nhiệt độ TNL sơi trong BBH to = tc2 - 3;
//Áp suất bão hịa po
po = tinh_ap_suat_TNL(to); //Đơn vị là bar po=po*1E5/133.3224; // Đổi sang mmHg
//Nhiệt độ nƣớc giải nhiệt qua BHT double tw2 = tw1 + 3;
//Nhiệt độ dung dịch lỗng ra khỏi BHT t4 = tw2 + 4; //Nồng độ dung dịch lỗng Cw = tinh_nong_do_dd(t4, to);
//Nhiệt độ nƣớc giải nhiệt qua BN double tw3 = tw2; double tw4 = tw3 + 2; //Nhiệt độ ngƣng tụ TNL tk = tw4 + 4;
http://www.ebook.edu.vn 104
//Áp suất ngƣng tụ TNL pk = tinh_ap_suat_TNL(tk);
pk = pk * 1E5 / 133.3224; // Đổi sang mmHg //Nhiệt độ dung dịch đậm đặc ra khỏi BPS t6 = th1 - 5; //Nồng độ dung dịch đậm đặc Cs = tinh_nong_do_dd(t6, tk); //Bội số tuần hồn: double a = Cs / (Cs - Cw);
//Nồng độ trung gian, enthalpy điểm 2 double Ci = 0.5 * (Cw + Cs);
t2 = tinh_nhiet_do_soi_dd(Ci, pk); i2 = tinh_enthalpy_hqn(pk, t2);
//Nhiệt độ dung dịch đậm đặc ra khỏi HN t5 = t4 + 20;
//Nhiệt độ dung dịch lỗng bắt đầu sơi trong BPS t1 = tinh_nhiet_do_soi_dd(Cw, pk);
//Enthalpy điểm 1, 2', 3'', 3, 4, 5, 6, 7
double i2_2,i3_1; //Ký hiệu 1, 2 sau dấu "_" là để chỉ số dấu phẩy tinh_enthalpy_TNL(tk, out i2_1, out i2_2);
tinh_enthalpy_TNL(to, out i3_1, out i3_2); i1 = tinh_enthalpy_dd(Cw, t1); i3 = i2_1; i4 = tinh_enthalpy_dd(Cw, t4); i5 = tinh_enthalpy_dd(Cs, t5); i6 = tinh_enthalpy_dd(Cs, t6); i7 = i4 + (a - 1) * (i6 - i5) / a; //Năng suất lạnh đơn vị qo double qo = i3_2 - i3; //Lƣu lƣợng TNL double mr = Qo / qo;
//Phụ tải nhiệt đơn vị của BPS double qh = i2 + (a - 1) * i6 - a * i7;
http://www.ebook.edu.vn 105
//Phụ tải nhiệt của BPS double Qh = mr * qh;
//Năng suất giải nhiệt đơn vị của BN double qk = i2 - i2_1;
//Năng suất giải nhiệt của BN double Qk = mr * qk;
//Năng suất giải nhiệt đơn vị của BHT double qa = i3_2 + (a - 1) * i5 - a * i4; //Năng suất giải nhiệt của BHT
double Qa = mr * qa; //Hệ số COP