Chương 7 : KIỂM TOÁN NĂNG LƯỢNG
9.1.Nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi
9.1.1. Nhiệt độ ngưng tụ
Trong tiết kiệm năng lượng, khi giảm nhiệt độ ngưng tụ 1o
C thỡ hiệu suất mỏy lạnh tăng lờn 2%. Điều này được minh chứng qua đồ thị hỡnh 9.1.
Giả sử nhiệt độ ngưng tụ Tk thay đổi đến giỏ trị Tk’ lớn hơn Tk, nhiệt độ bay hơi T0khụng đổi, trờn đồ thị T–S hỡnh 9.1 ta thấy rằng đoạn 41 chuyển thành 4’1, điều này tương ứng với năng suất lạnh Qo giảm thành Qo’. Thờm vào đú, diện tớch 1234 được thay bằng diện tớch 12’3’4’ lớn hơn diện tớch 1234, do vậy, cụng nộn của mỏy nộn tăng khi nhiệt độ ngưng tụ tăng.
Do vậy khi vận hành mỏy, người vận hành phải cố gắng đưa ỏp suất ngưng tụ xuống càng thấp càng tốt, chỳ ý quỏ trỡnh vệ sinh thiết bị ngưng tụ sao cho độ chờnh lệch giữa nhiệt độ mụi chất lạnh và lưu chất giải nhiệt (nước hay khụng khớ) nhỏ nhất. Bờn cạnh đú, chỳng ta cũng chỳ ý đến vấn đề lắp đặt thiết bị ngưng tụ sao cho nhiệt độ và ỏp suất ngưng tụ thấp nhất cú thể.
Hỡnh 9.1. Biểu diễn chu trỡnh cú độ chờnh nhiệt độ ngưng tụ trờn đồ thị T-S
T 3 3’ 2’ 2 1 s T0 Tk’ 4’ 4 Tk
9.1.1. Nhiệt độ bay hơi
Trong tiết kiệm năng lượng, khi tăng nhiệt độ bay hơi lờn 1o
C thỡ hiệu suất mỏy lạnh tăng lờn 2%. Điều này cũng được minh chứng qua đồ thị hỡnh 9.2.
Giả sử nhiệt độ bay hơi T0thay đổi đến giỏ trị T0’nhỏ hơn T0, nhiệt độ ngưng tụ Tkkhụng đổi, trờn đồ thị T–S hỡnh 9.2 ta thấy rằng đoạn 41 chuyển thành 4’1’, điều này tương ứng với năng suất lạnh Qo thành Qo’. Thờm vào đú, diện tớch 1234 được thay bằng diện tớch 12’3’4’ lớn hơn diện tớch 1234, do vậy, cụng nộn của mỏy nộn tăng khi nhiệt độ bay hơi giảm.
Hỡnh 9.2. Biểu diễn chu trỡnh cú độ chờnh nhiệt độ bay hơi trờn đồ thị T-S
Khi vận hành mỏy lạnh, ỏp suất bay hơi nờn càng gần mức cao nhất cho phộp thỡ càng tốt. Hỡnh 9.2 thể hiện chu trỡnh cú độ chờnh nhiệt độ bay hơi trờn đồ thị T-S.
Để nõng cao hiệu quả làm lạnh, chỳng ta cần chỳ trọng đến việc cỏch nhiệt phũng lạnh và đường ống. Thường xuyờn kiểm tra tỡnh trạng trao đổi nhiệt của cỏc thiết bị trao đổi nhiệt. Trong điều hũa khụng khớ, cần chỳ ý đến quỏ trỡnh bổ sung khớ tươi vào phũng, trỏnh để khớ tươi xõm nhập vào phũng quỏ nhiều (khi ra vào phũng luụn phải đúng kớn cửa ra vào). Do vựng nhiệt độ thoải mỏi của người chõu Á chỳng ta từ khoảng 24o
C ữ 26oC và khi ở nhiệt độ 24o
C hay 26oC con người khụng phõn biệt được sự khỏc biệt này, do vậy nờn cài đặt tất cả cỏc mỏy lạnh ở nhiệt độ 26oC, khụng nờn cài đặt nhiệt độ thấp hơn. Tỡnh trạng làm việc của cỏc thiết bị trao đổi nhiệt ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất làm việc của hệ thống, độ an toàn, độ bền của thiết bị. Bảo dưỡng cỏc thiết bị trao đổi nhiệt bao gồm cỏc cụng việc sau đõy:
T 3 1 2’ 2 1’ s T0’ Tk 4’ T0 4
+Vệ sinh bề mặt trao đổi nhiệt,
+Xả dầu tớch tụ bờn trong thiết bị,
+Bảo dưỡng cõn chỉnh bơm, quạt giải nhiệt,
+Xả khớ khụng ngưng ở thiết bị ngưng tụ,
+Vệ sinh bể nước, xả cặn,...
9.2. KIỂM TRA KHÍ KHễNG NGƯNG TRONG HỆ THỐNG
Khi trong hơi cú lẫn khớ khụng ngưng, cỏc khớ này tớch tụ mặt ngoài của màng lỏng vỡ chỳng khụng ngưng tụ nờn chỳng làm cản trở sự tiếp xỳc của hơi với bề mặt vỏch. Trong một số nghiờn cứu thực tế cho thấy rằng: hệ số tỏa nhiệt đối lưu αcú thể giảm 60% khi trong hơi cú lẫn 1% khớ khụng ngưng.
Khi để lọt khớ khụng ngưng vào bờn trong hệ thống lạnh, hiệu quả làm việc của hệ thống lạnh giảm rừ rệt, khụng đảm bảo an toàn, cỏc thụng số vận hành cũng cú xu hướng kộm hơn, cụ thể:
- Áp suất ngưng tụ tăng,
- Nhiệt độ cuối quỏ trỡnh nộn tăng, - Năng suất lạnh giảm.
Cỏc nguyờn nhõn lọt khớ khụng ngưng: Khớ khụng ngưng lọt vào hệ thống lạnh do nhiều nguyờn nhõn khỏc nhau:
- Do hỳt chõn khụng khụng triệt để trước khi nạp mụi chất lạnh, khi lắp đặt hệ thống.
- Do khi sửa chữa, bảo dưỡng mỏy nộn và cỏc thiết bị. - Do khi nạp dầu cho mỏy nộn,
- Do phõn hủy dầu ở nhiệt độ cao, - Do mụi chất lạnh bị phõn hủy.
- Do rũ rỉ phớa hạ ỏp: phớa hạ ỏp trong nhiều trường hợp cú ỏp suất chõn khụng, nờn khi cú vết rũ khụng khớ bờn ngoài sẽ lọt vào bờn trong hệ thống.
9.3. SỬ DỤNG BƠM DỊCH CAO ÁP
Một trong những phương phỏp nhằm tiết kiệm năng lượng là sử dụng bơm dịch cao ỏp trong hệ thống. Lỏng cao ỏp từ bỡnh chứa cao ỏp
trước khi đến van tiết lưu vào thiết bị bay hơi được trớch một phần để hũa trộn với hơi quỏ nhiệt tại đầu đẩy mỏy nộn. Kết quả quỏ trỡnh này làm nhiệt độ cuối tầm nộn giảm, nhiệt độ ngưng tụ giảm và hệ số làm lạnh tăng lờn (hỡnh 9.3).
Hỡnh 9.3. Hệ thống lạnh sử dụng bơm dịch cao ỏp
9.4. TÍCH TRỮ LẠNH
Phương phỏp này dựa trờn nguyờn lý cơ bản là tớch trữ lạnh lỳc phụ tải thấp, giỏ điện rẻ và sử dụng lạnh cung cấp cho hệ thống điều hũa khụng khớ vào thời điểm phụ tải cao. Phương phỏp này cú ý nghĩ quan trọng trong việc san bằng phụ tải năng lượng. Bảng 9.1 trỡnh bày cỏc chất dựng trong tớch trữ lạnh và cỏc đặc tớnh tương ứng. Trong đú, nước, băng và chất cựng tinh thường được dựng trong tớch trữ lạnh. Hỡnh 9.4 giới thiệu sơ đồ hệ thống tớch trữ băng dựng tỏc nhõn lạnh trực tiếp. Vào giờ thấp điểm, hệ thống điều hũa mỏy nộn hơi chạy làm lạnh chất trữ lạnh trong hầm trữ lạnh 1; đến giờ cao điểm, hệ thống mỏy nộn lạnh ngừng, nước trao đổi nhiệt với chất trữ lạnh ở hầm lạnh rồi sau đú đi vào cỏc FCU hay AHU để điều hũa khụng khớ rồi quay về hầm trữ lạnh, chu trỡnh cứ thế tiếp tục.
Daứn bay hụi Daứn ngửng tuù
Bụm dũch Bỡnh chửựa cao aựp
Maựy neựn
Van tieỏt lửu
Bảng 9.1. Cỏc chất dựng trong tớch trữ lạnh
Chất dựng
Đặc tớnh Nước Băng Chất cựng tinh
Phương phỏp tớch năng lượng Nhiệt
hiện Nhiệt hiện và nhiệt ẩn Nhiệt ẩn
Nhiệt độ biến đổi pha - 00C 4 ữ 10 0C
Hỡnh thức lạnh 12 oC ữ 4 o C nước 12 o C ữ 0 o C băng 8 o C lỏng ữ 8 oC rắn Dung lượng cho 1000 kW (m3) 102 24,2 34,1
Hỡnh 9.4. Sơ đồ hệ thống tớch trữ băng dựng tỏc nhõn lạnh trực tiếp 1. Hầm tớch trữ băng; 2. Quạt khụng khớ; 3. Mỏy nộn ; 4. Bỡnh ngưng
5. Bơm nước giải nhiệt; 6. Thỏp giải nhiệt; 7. Dàn lạnh; 8. Van motorize ba ngả; 9. Van tiết lưu nhiệt; 10. Bơm nước lạnh
10 Nửụực xaỷ 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Nửụực caỏp
9.5. HỆ THỐNG ĐIỀU HềA KHễNG KHÍ KẾT HỢP ỐNG NHIỆT (ĐHKK-ON)
Hệ thống điều hũa khụng khớ sử dụng mỏy lạnh nộn hơi phải thực hiện cả nhiệm vụ làm lạnh khụng khớ và tỏch ẩm để đạt đến mụi trường điều hũa cần thiết (nhiệt độ 22o
C ữ 26oC và độ ẩm tương đối 50 ữ 60%). Để thực hiện nhiệm vụ tỏch ẩm mỏy lạnh phải làm lạnh khụng khớ đến nhiệt độ dưới nhiệt độ đọng sương của khụng khớ nờn tốn nhiều năng lượng điện. Do vậy, ứng dụng ống nhiệt vào trong hệ thống điều hũa khụng khớ sẽ gúp phần giảm tiờu hao loại năng lượng này. Hỡnh 9.5 trỡnh bày nguyờn lý hoạt động của hệ thống ĐHKK-ON.
Hỡnh 9.5. Nguyờn lý hoạt động của hệ thống ĐHKK-ON
Bỡnh bay hơi Phũng lạnh Mỏy nộn AHU Khụng khớ tươi Quạt Khụng khớ thải Van tiết lưu Bỡnh ngưng Thỏp giải nhiệt Bơm Bơm Ống nhiệt
Hỡnh 9.6. Biểu diễn hệ thống trờn đồ thị t-d
Khi lắp ống nhiệt vào dàn lạnh (ON-DL), khụng khớ sẽ được làm mỏt sơ bộ đến nhiệt độ thấp hơn cần thiết trước khi vào dàn lạnh, do vậy nhiệt độ khụng khớ sẽ đến gần nhiệt độ đọng sương hơn và lượng ẩm sẽ lấy ra nhiều hơn. Sau đú khụng khớ ra khỏi dàn lạnh được gia nhiệt trở lại bởi ống nhiệt để nhiệt độ đạt đến điều kiện thoải mỏi của con người rồi đi vào phũng cần điều hũa khụng khớ. Hỡnh 9.6 thể hiện hệ thống điều hũa khụng khớ truyền thống với hệ thống kết hợp ống nhiệt trờn đồ thị t-d. Từ hỡnh 9.6, quỏ trỡnh làm lạnh trong dàn lạnh (3-4) của hệ thống kết hợp ống nhiệt ngắn hơn hệ thống truyền thống nhiều, điều này tương ứng với cụng nộn của mỏy nộn sẽ giảm tương ứng.
9.6. LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ LẮP ĐẶT
Tuỳ vào yờu cầu và thời gian làm việc của từng dạng phụ tải cụ thể mà người thiết kế lựa chọn kiểu hệ thống phự hợp. Cố gắng lựa chọn những hệ thống mới cú tớch hợp cỏc thiết bị điều khiển hiện đại nhằm tiết kiệm năng lượng.
9.6.1. Mỏy điều hũa khụng khớ WATER CHILLER
Nhiệt độ, o C a) Hệ thống truyền thống T≡1 4 3 N≡2 ẹ o ọ c hử ựa a ồm d, g/ kg kkk T≡1 4’ 4 3’ 3 N≡2 ẹ o ọ c hử ựa a ồm d, g/ kg kkk Nhiệt độ, o C b) Hệ thống kết hợp ống nhiệt
Hỡnh 9.7. Sơ đồ nguyờn lý mỏy điều hũa Water chiller
Hệ thống điều hũa khụng khớ kiểu Water chiller là hệ thống trong đú dàn lạnh khụng trực tiếp xử lý khụng khớ mà làm lạnh nước đến khoảng 7oC. Sau đú nước được dẫn theo đường ống cú bọc cỏch nhiệt đến cỏc dàn trao đổi nhiệt để xử lý khụng khớ gọi là cỏc FCU và AHU. Trong hệ thống này, nước được sử dụng làm chất tải lạnh. Hỡnh 9.7 giới thiệu một sơ đồ nguyờn lý mỏy điều hũa Water chiller điển hỡnh. Đối với những hệ thống Water chiller mới, năng suất lạnh cũng được điều chỉnh mịn bởi cỏc bộ biến tần.
9.6.2. Mỏy điều hũa khụng khớ VRV
Mỏy điều hũa VRV (Variable Refrigerant Volume) là hệ thống điều hũa khụng khớ cú lưu lượng mụi chất cú thể điều chỉnh được. Mỏy điều hũa VRV thực chất là một hệ thống điều hũa khụng khớ cú một hay nhiều dàn núng và nhiều dàn lạnh hay FCU (Fan Coil Unit). Hệ thống VRV cú thể đạt hiệu suất cao thụng qua sự thu hồi nhiệt và kiểm soỏt nhiệt độ chớnh xỏc. Hệ thống VRV là một trong những cụng nghệ tiờn tiến trong kiểm soỏt mụi trường. Nú cho phộp thay đổi nhiệt độ từng phũng riờng biệt trong một tũa nhà vào những thời điểm khỏc nhau trong ngày. Người sử dụng cài đặt nhiệt độ phũng một cỏch dễ dàng và hệ thống sẽ duy trỡ nhiệt độ đú mà khụng ảnh hưởng tới cỏc phũng bờn cạnh hay ngoài trời.
Hệ thống này cú thể thay đổi cụng suất lạnh của mỏy dễ dàng nhờ thay đổi lưu lượng mụi chất tuần hoàn trong hệ thống thụng qua thay đổi tốc độ quay nhờ bộ biến tần. Hỡnh 9.8 giới thiệu sơ đồ nguyờn lý một hệ thống điều hũa khụng khớ VRV điển hỡnh.
Thỉnh thoảng, một số người cũng gọi hệ thống này là VRF (Variable Refrigerant Flow). Về cơ bản, hai hệ thống này giống nhau. Trong một số quan điểm, thể tớch của mụi chất lạnh khụng thay đổi mà lưu lượng thay đổi, do vậy, dựng khỏi niệm VRF mang tớnh chớnh xỏc hơn.
Chương 10
CÁC CƠ HỘI TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
10.1. MÁY BIẾN ÁP (MBA)
10.1.1. Chọn mỏy biến ỏp cú cụng suất thớch hợp
Hiện nay, cỏc mỏy biến ỏp được thiết kế chế tạo cú hiệu suất cao thường từ 96% đến 99%. Tuy nhiờn, hiệu suất của mỏy biến ỏp khụng chỉ phụ thuộc vào thiết kế mà cũn phụ thuộc vào phụ tải vận hành cú hiệu quả. Vỡ vậy, vẫn cũn cú những tiềm năng để cải thiện hiệu suất.
- Tổn thất mỏy biến ỏp: Tổn thất khụng tải (cũn gọi là tổn thất sắt từ) là hàm bậc hai của điện ỏp vào mỏy biến ỏp. Tổn thất này cú mặt bất cứ khi nào mỏy được nối vào nguồn điện và khụng phụ thuộc vào phụ tải.
Tổn thất sắt từ (tổn thất khụng tải) = Wi(
Vr Vp
)2 trong đú:
Wi: tổn thất sắt từ ở điện ỏp định mức phớa cao ỏp. Vr: điện ỏp định mức phớa cao ỏp.
Vp: điện ỏp thực tế phớa cao ỏp.
Tổn thất cú tải, cũn gọi là tổn thất cuộn dõy, là hàm bậc hai dũng điện. Tổn thất này chỉ xảy ra khi cú tải nối vào mỏy biến ỏp (cú dũng điện chạy qua) và phụ thuộc vào phụ tải.
Tổn thất cuộn dõy (tổn thất cú tải) = Wc(LF)2 trong đú: Wc = tổn thất cuộn dõy ở dũng điện định mức.
LF = hệ số phụ tải.
Tổn thất mỏy biến ỏp = Wi(
Vr Vp
)2+ W c(LF)2 - Hiệu suất mỏy biến ỏp:
η = 2 ) ( cos ) ( cos ) ( LF W W P LF P LF c i + + ϕ ϕ Trong đú: LF: hệ số phụ tải.
P: cụng suất định mức của MBA, kVA. cosϕ: hệ số cụng suất.
Wi: tổn thất sắt từ ở điện ỏp định mức phớa cao ỏp, kW. Wc: tổn thất cuộn dõy ở dũng điện định mức, kW.
Hiệu suất mỏy biến ỏp sẽ cao nhất khi tổn thất sắt từ bằng tổn thất cuộn dõy: Wi = Wc(LF)2 hay LF = W W c i
Cỏc giỏ trị tham khảo đối với cỏc ứng dụng cụng nghiệp với hiệu suất cực đại là 98,5% - 99% thỡ hệ số phụ tải bằng 35 – 55%; nghĩa là để đạt được hiệu suất cao, cỏc mỏy biến ỏp cụng nghiệp thụng thường phải được gỏnh tải thấp hơn giỏ trị định mức và, do đú, phải lắp cỏc MBA chạy non tải.
10.1.2. Phõn phối phụ tải mỏy biến ỏp
Thực tế nhiều MBA khụng sử dụng hết cụng suất, gõy nhiều tổn thất trong cuộn dõy. Do đú, nếu cú nhiều MBA đang được sử dụng, việc ngắt bớt một mỏy biến ỏp sẽ giỳp tiết kiệm nếu thỏa món cỏc điều kiện sau:
- Cỏc MBA cú khả năng gỏnh phụ tải của MBA dự kiến sẽ được ngắt, nghĩa là cũn đủ cụng suất cụng suất ở cựng cấp điện ỏp và cú thể dể dàng đấu nối.
- Tổng tổn thất điện của cỏc MBA cũn lại nhỏ hơn tổng tổn thất khi tất cả cỏc MBA cựng hoạt động.
Vớ dụ 10.1:Ngắt bớt một mỏy biến ỏp (hỡnh 10.1)
Một xớ nghiệp chế biến thức ăn gia sỳc cần cụng suất điện 700kVA, cung cấp bởi hai MBA nối song song trờn cựng một thanh cỏi. Đặc tớnh kỹ thuật của hai MBA là:
Hỡnh 10.1. Sơ đồ đấu hai MBA với phụ tải Cụng suất định mức: 1250kVA. Cao ỏp: 11± 2,5% kV. Hạ ỏp: 433kV. Tổn thất khụng tải: 2100W. Tổn thất cú tải: 16400W.
Khi cả hai mỏy cựng hoạt động, tổng tổn thất là: Tổn thất khụng tải: 2100 ì 2 = 4200 W Tổn thất cú tải: 16.400 ì (350/1.250)2 ì 2 = 2572 W Tổng tổn thất: 4200W + 2572 W = 6772 W
Khi một MBA được ngắt bớt và phụ tải của cú được chuyển sang cho MBA cũn lại thỡ hệ số cụng suất bằng 50% và cỏc tổn thất là:
Tổn hất khụng tải: = 2100W.
Tổn thất cú tải: 16.400ì(700/1250)2 = 5.143W. Tổng cỏc tổn thất: = 7.243W.
Do vậy, trong trường hợp này sẽ khụng cú lợi nếu ta ngắt một MBA.
11 kV±
TẢI 1 = TẢI 2 = 350 kVA
TẢI 2 TẢI 1
Vớ dụ 10.2:Ngắt bớt một mỏy biến ỏp (hỡnh 10.2)
Một nhà mỏy xay xỏt gạo cần cụng suất lắp đặt 1000 kA được cung cấp bởi hai MBA nối song song trờn cựng một thanh cỏi. Đặc tớnh kỹ thuật của hai MBA là:
Cụng suất định mức: 1250kVA. Cao ỏp: 22± 2,5% kV. Hạ ỏp: 433kV.
Tổn thất khụng tải: 3500W. Tổn thất cú tải: 2
Khi cả hai MBA cựng hoạt động, tổng tổn thất là 9,4kW. Ngược lại, khi một được ngắt và chuyển phụ tải sang MBA cũn lại, thỡ tổng tổn thất chỉ cũn