Dựa vào bảng 3.7 [TL1, tr.86] ta xác định được hệ số tỏa nhiệt: α1 = 23,3 𝑊/𝑚2𝐾
α2 = 10,5 𝑊/𝑚2𝐾 đối với buồng lưu thông không khí cưỡng bức mạnh.
Về kết cấu thì các vách của hầm cấp đông được cấu tạo giống như kho truyền thống, nhưng do đặc thù về nhiệt độ thấp cho nên mái của hầm cấp đông được thiết kế là 200mm thay vì 100mm như kho truyền thống. Vì thế ta có:
Bảng 2.3: Thông số vật liệu hầm cấp đông
Kết cấu Hệ số truyền nhiệt thực K, W/m2K
Vách ngoài 0,121
Mái 0,121
Như ta đã tính Ks1 và Ks2 ở trên thì có thể kết luận các vách và mái của hầm cấp đông không bị đọng sương.
42
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN – KIỂM TRA CHU TRÌNH LẠNH, CHỌN MÁY NÉN VÀ ĐƯỜNG ỐNG CỦA HỆ THỐNG 3.1 Nguyên lí hoạt động (bản vẽ phần phụ lục)
3.1.1 Đối với hơi môi chất NH3
Hơi hạ áp được đầu hút máy nén hút về từ các dàn bay hơi tương ứng.
Từ đây, máy nén nén hơi hạ áp thành hơi quá nhiệt sang bình tách dầu được đính kèm với máy nén, đồng thời tại đây khí không ngưng được xả vào bể nước đặt trên tầng mái. Có tổng cộng 6 máy nén chạy tương ứng với 2 chu trình 2 cấp và 2 chu trình 1 cấp như sau:
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của chu trình 1 cấp và 2 cấp của hệ thống
1 máy nén chạy cho hệ nước muối với nhiệt độ bay hơi là -12oC sử dụng chu trình 1 cấp có quá lạnh, quá nhiệt.
1 máy nén chạy cho kho lạnh với nhiệt độ bay hơi là -2oC sử dụng chu trình 1 cấp có quá lạnh, quá nhiệt.
3 máy nén chạy cho kho lạnh với nhiệt độ bay hơi là -32oC sử dụng chu trình 2 cấp làm mát trung gian bằng bộ economizer.
1 máy nén chạy cho hầm đông gió với nhiệt độ bay hơi là -47oC sử dụng chu trình 2 cấp làm mát trung gian bằng bộ economizer.
Hơi quá nhiệt được nén đến 5 thiết bị ngưng tụ giải nhiệt kết hợp gió và nước, môi chất lạnh sau khi ngưng tụ sẽ đi qua bình chứa lỏng đến bình chứa cao áp.
43
Ngã 1 sẽ được tiết lưu -12oC vào bình tràn dịch để thực hiện quá trình bay hơi trao đổi nhiệt với nước muối thông qua bộ trao đổi nhiệt dạng tấm PHE. Sau khi bay hơi, hơi môi chất được hút về đầu hút của máy nén.
Ngã 2 được tiết lưu -2oC vào bình chưa hạ áp và được bơm dịch bơm đi đến các dàn lạnh ở kho truyền thống có nhu cầu sử dụng nhiệt độ bảo quản là 5oC để thực hiện quá trình trao đổi nhiệt bay hơi. Sau khi bay hơi, môi chất quay về bình chứa hạ áp tương ứng để tách lỏng và hơi môi chất sẽ được hút về đầu hút của máy nén lặp lại quá trình tuần hoàn.
Ngã 3 được tiết lưu vào bình làm mát trung gian (economizer) để làm mát hơi môi chất đối với 4 máy nén chạy 2 cấp. Sau khi làm mát, lỏng cao áp này được chia thành 2 hướng:
Lỏng từ 3 máy nén chạy cho kho lạnh với nhiệt độ bay hơi -32oC được tiết lưu vào bình chưa hạ áp và được bơm dịch bơm đi đến các dàn lạnh tại kho truyền thống và 8 dàn lạnh đặt tại kho tự động để thực hiện quá trình trao đổi nhiệt bay hơi với nhiệt độ yêu cầu ở kho là -25oC, đây cũng được coi là 8 dàn lạnh có công suất lớn nhất của công trình kho lạnh này. Sau khi bay hơi, môi chất quay về bình chứa hạ áp tương ứng để tách lỏng và hơi môi chất sẽ được hút về đầu hút của máy nén lặp lại quá trình tuần hoàn. Tuy nhiên, trong đó có 1 máy nén sẽ cấp dịch cho bình chứa hạ áp ở nhiệt độ -47oC trong trường hợp thiếu lỏng hoặc máy nén chạy cho hầm cấp đông gặp sự cố.
Lỏng từ máy nén còn lại được tiết lưu vào bình chứa hạ áp với nhiệt độ -47oC và được bơm dịch bơm đi đến dàn bay hơi tại hầm đông gió để thực hiện quá trình trao đổi nhiệt bay hơi. Sau khi bay hơi, môi chất quay về bình chứa hạ áp tương ứng để tách lỏng và hơi môi chất sẽ được hút về đầu hút máy nén lặp lại quá trình tuần hoàn. Cũng như trường hợp trên, lỏng từ máy nén này cũng sẽ cấp dịch cho bình chứa hạ áp ở nhiệt độ -32oC nếu chu trình này thiếu lỏng hoặc 1 trong 3 máy nén chạy kho lạnh -25oC gặp sự cố.
- Một lượng lỏng cao áp từ bình chứa lỏng (liquid trap) được điều đến bình làm mát dầu (cũng có nhiệm vụ sấy dầu) đính kèm cùng máy nén. Tại đây dầu sẽ được tách ra khỏi môi chất và trở về bình gom dầu, còn môi chất sẽ tiếp tục quay lại bình chứa lỏng, nếu còn lỏng sẽ tiếp tục rớt xuống đáy bình để tiếp tục nhiệm vụ, còn hơi môi chất sẽ đi đến dàn ngưng để thực hiện quá trình ngưng tụ
44
3.1.2 Đối với dầu trong hệ thống:
Tại mỗi bình gom dầu đều sẽ được trích hơi từ đầu đẩy và đầu hút máy nén để tạo áp suất hút
Bình gom dầu High side 1200L: Gom dầu từ 6 bình tách dầu của máy nén, bình chứa cao áp, bình tràn dịch và bộ trao đổi nhiệt dạng tấm PHE
Bình gom dầu Low side 1000L: Gom dầu từ bình chứa hạ áp -47oC và 2 bơm dịch tương ứng
Bình gom dầu Low side 1200L: Gom dầu từ 2 bình chứa và 4 bơm dịch tương ứng còn lại
3.1.3 Đối với đường ống dẫn khí không ngưng:
Trên mỗi thiết bị như bình tách dầu, bình chứa cao áp, bình chứa hạ áp, bìnhgom dầu, bình tràn dịch, thiết bị ngưng tụ, bộ trao đổi nhiệt dạng tấm PHE đều có đường ống để dẫn đến bồn nước xả khí không ngưng
Nước nằm trong bể nước xả khí không ngưng cũng được bơm vào dàn ngưng với nhiệm vụ trao đổi nhiệt giúp môi chất ngưng tụ hiệu quả hơn.
3.1.4 Đối với hệ thống xả băng:
Tận dụng nước ngưng của các dàn bay hơi và có nguồn cấp nước thêm thì hệ thống xả băng được chia thành 2 bể nước, mỗi bể nước gồm 2 bơm chạy luân phiên. Tùy vào vị trí của các dàn bay hơi mà các đường ống sẽ được nối với bể nước một cách hợp lý nhất:
Bể 1: Chạy cho 3 kho lạnh truyền thống, 1 hầm cấp đông, 4 FCU sử dụng nước muối và 4 dàn bay hơi trên kho lạnh tự động. Các đường ống dẫn nước ngưng cũng được dẫn về bể chứa nước tương ứng
Bể 2: Chạy cho các dàn bay hơi còn lại gồm 2 kho lạnh truyền thống, 15 FCU sử dụng nước muối và 4 dàn bay hơi thuộc kho lạnh tự động. Các đường ống dẫn nước ngưng cũng được dẫn về bể chứa nước tương ứng.
45
3.2 Tính toán chu trình lạnh
3.2.1 Tính kiểm tra chu trình và chọn máy nén tại hầm cấp đông -470C
Thông số ban đầu:
Năng suất lạnh Q0 = 133,7 kW Nhiệt độ ngưng tụ: 350C Nhiệt độ sôi môi chất: - 470C
Tra bảng tính chất nhiệt động của NH3 trạng thái bão hòa [TL4,tr 303-311] Ta có: pk = 13,503 bar, p0 = 0,4865 bar
Áp suất trung gian:
ptg = √𝑃𝑘. 𝑃0 = 2,563 𝑏𝑎𝑟
Tra bảng tính chất nhiệt động của NH3 trạng thái bão hòa [TL4,tr 303-311], suy ra: ttg = -13 0C
Hình 3.2: Đồ thị lgp-h và T-s của chu trình hầm cấp đông
Điểm 1’:
t1’ = t0 = -47 0C
Tra bảng tính chất nhiệt động của NH3 trạng thái bão hòa [TL4, tr303-311], suy ra: p1’ = 0,4865 bar
v1’ = 2,229 m3/kg h1’ = 1396,1 kJ/kG
46 s1’ = 6,3769 kJ/kG.0C
Điểm 1:
Nhiệt độ hơi hút th là nhiệt độ trước khi về máy nén. Nhiệt độ hơi hút bao giờ cũng phải lớn hơn nhiệt độ sôi của môi chất để đảm bảo máy nén không hút phải lỏng.
Đối với môi chất amoniac ∆th = 5 ÷ 15K ta chọn ∆th = 50C [TL1, tr.208] t1= th = t0 +∆th = - 47 + 5 = - 420C
p1 = p1’ = 0,4865 bar
Tra bảng tính chất nhiệt động của NH3 trạng thái hơi quá nhiệt [TL4, tr312-326], suy ra: v1 = 2,2825 m3/kg h1 = 1406,844 kJ/kG s1 = 6,4238 kJ/kG.0C Điểm 2: p2 = ptg = 2,563 bar s2 = s1 = 6,4238 kJ/kG.0C Tra đồ thị lgp-h môi chất NH3, suy ra:
t2= 67,4 0C v2 = 0,64 m3/kg h2 = 1632,75 kJ/kG Điểm 5: t5 = tk = 350C p5 = pk = 13,503 bar
Tra bảng tính chất nhiệt động của NH3 trạng thái bão hòa, suy ra: v5 = 0,001702 m3/kg
47 s5 = 1,5539 kJ/kG.0C h5 = 362,33 kJ/kG Điểm 6: p6 = ptg = 2,563 bar h6 = h5 = 362,33 bar
Tra đồ thị lgp-h môi chất NH3, suy ra: t6 = -13 0C s6 = 1,6305 kJ/kG.0C v6 = 0,081 m3/kg Điểm 7: p7 = p6 = 2,563 bar t7 = t6 = -13 0C
Tra bảng tính chất nhiệt động của NH3 trạng thái bão hòa, suy ra: s7 = 0,7793 kJ/kG.0C v7 = 0,00152 m3/kg h7 = 140,89 kJ/kG Điểm 8: p8 = p0 = 0,4867 bar t8 = t0 = -47 0C h7 = h8 = 140,89 kJ/kG
Tra đồ thị lgp-h môi chất NH3, suy ra: s8 = 0,156 kJ/kG.0C
48
Điểm 9:
p9 = p6 = 2,563 bar t9 = t6 = -13 0C
Tra bảng tính chất nhiệt động của NH3 trạng thái bão hòa, suy ra: v9 = 0,469 m3/kg
s9 = 5,795 kJ/kG.0C h9 = 1445,7 kJ/kG
Điểm 3:
m1 : lưu lượng môi chất qua máy nén 𝑚1= 𝑄0
ℎ1′−ℎ8 = 133,7
1396,1−140,89= 0,1065 𝑘𝑔/𝑠
m2 : lưu lượng môi chất hòa trộn làm mát từ Ecomomizer Phương trình cân bằng năng lượng tại bình economizer
m3.h6 = m2.h9 + m1.h7
(0,1065 + m2) . 362,33 = m2 . 1445,7 + 0,1065 . 140,89
m2 = 0,02173 kg/s
Phương trình điểm nút tại điểm hòa trộn: m1.h2 + m2.h9 = m3.h3
0,1065 . 1632,75 + 0,02173 . 1445,7 = 0,12823 . h3 h3 = 1601,05 kJ/kG
m3 = m1 + m2 = 0,1065 + 0,02173 = 0,12823 kg/s
p3 = ptg = 2,563 kJ/kG
Tra đồ thị lgp-h môi chất NH3, suy ra: t3 = 53,410C
49 v3 = 0,61 m3/kg
s3 = 6,328 kJ/kG.0C
Điểm 4:
p4 = pk = 13,503 bar
t4 = 900C do các nhà sản xuất máy nén thường yêu cầu giới hạn nhiệt độ đầu đẩy dưới một giá trị nhất định để ngăn chặn sự quá nhiệt, kéo dài tuổi thọ và ngăn chặn sự phá vỡ kết cấu của dầu ở nhiệt độ cao. Vì thế nhiệt độ cho phép tối đa là 900C.
Tra bảng tính chất nhiệt động của NH3 trạng thái hơi quá nhiệt, suy ra: v4 = 0,135 m3/kg
h4 = 1650,14 kJ/kG s4 = 5,733 kJ/kG.0C
Bảng 3.1: Thông số các điểm nút của chu trình -470C
p, bar t, 0C h, kJ/kG s, kJ/kG.0C v, m3/kg 1 0,4865 -42 1406,844 6,4238 2,2825 1’ 0,4865 -47 1396,1 6,3769 2,229 2 2,563 67,4 1632,75 6,4238 0,64 3 2,563 53,41 1601,05 6,328 0,61 4 13,503 90 1650,14 5,733 0,12239 5 13,503 35 362,33 1,5539 0,001702 6 2,563 -13 362,33 1,6305 0,081 7 2,563 -13 140,89 0,7793 0,00152 8 0,4865 -47 140,89 0,156 0,25 9 2,563 -13 1445,7 5,7950 0,469
50
a) Nhiệt thải dàn ngưng :
Qk = m3 . (h4 – h5) = 0,12823 . (1650,14 – 362,33) = 165,13 kW
b) Thể tích hút thực tế của máy nén:
Vtt = m1.v1 = 2,2825 . 0,1065 = 0,24 m3/s = 864 m3/h
Dựa trên catalogue “Bộ máy nén trục vít C series” của hãng MYCOM, ta chọn được máy nén trục vít có model 2016LSC có thể tích hút V* = 1210 m3/h,
c)Hệ số cấp của máy nén:
Ta có, tỷ số nén: П = 𝑃𝑘
𝑃0 = 13,503
0,4865= 27,76
Với П = 27,76 tra đồ thị Hệ số cấp của máy nén trục vít phụ thuộc vào tỷ số nén [TL3, tr.122], ta được: λ = 0,72
e) Thể tích hút lý thuyết của máy nén:
Vlt = 𝑉𝑡𝑡 λ = 864 0,72 = 1200 m3/h f) Số lượng máy nén: Zmn = 𝑉𝑙𝑡 𝑉∗ = 1200 1210 = 0,9917 Chọn 1 máy nén g) Công nén: N = m1 . (h2 – h1) + m3 . (h4 – h3) = 0,1065 . (1632,75 – 1406,844) + 0,12823 . (1650,14 – 1601,05) = 30,35 kW h) Hệ số làm lạnh của hệ thống: ℰ = 𝑄0 𝑁 = 133,7 30,35= 4,4
51 i) Công nén chỉ thị: * Hiệu suất chỉ thị: Ƞi = 𝑇0 𝑇𝑘 + (b × t0) Với b = 0,001 [TL1, tr.217] Suy ra: Ƞi = −47+273 35+273 + [0,001 × (-47)] = 0,6868 * Công nén chỉ thị: Ni = 𝑁 Ƞi = 30,35 0,6868 = 44,2 (kW) j) Công nén hiệu dụng: * Công nén ma sát: Nms = Vtt × pms [TL1, tr.218] Trong đó:
pms : áp suất ma sát riêng. Đối với máy nén NH3 thẳng dòng: pms = 0,049÷0,069 MPa (chọn pms = 0,069)
Suy ra:
Nms = 0,24 × 0,069 × 106 = 16560 (N.m/s) = 16,56 (kW) * Công nén hiệu dụng: Ne = Ni + Nms = 44,2 + 16,56 = 60,76 (kW)
k) Công suất điện:
𝑁𝑒𝑙 = 𝑁𝑒 Ƞ𝑡đ. Ƞ𝑒𝑙 Trong đó:
Ƞtđ : hiệu suất truyền động. Ƞtđ ≈ 0,95
Ƞel : hiệu suất động cơ. Ƞel = 0,8 ÷ 0,95 (chọn Ƞel = 0,8) [TL1, tr.218] Suy ra:
52 𝑁𝑒𝑙 = 𝑁𝑒
Ƞ𝑡đ. Ƞ𝑒𝑙 =
60,76
0,95 . 0,8= 80 𝑘𝑊
l) Công suất động cơ lắp đặt
Nđc = (1,1 ÷ 2,1)Nel [TL1, tr.219]
Với (1,1 ÷ 2,1) là hệ số an toàn của động cơ. Ta chọn 1,6 Nđc = 1,6 x Nel = 1,6 x 80 = 128 kW
Để đề phòng máy chạy trong điều kiện khắc nghiệt hơn ta chọn công suất động cơ là Nđc = 200 kW. [TL1, tr.219]
m) Đường ống từ đầu đẩy máy nén đến đường ống góp
Tra bảng 10.1. “Tốc độ dòng chảy thích hợp ω” [TL1, tr.345] ω = 15 ÷ 25. Chọn giá trị ω = 15 (m/s) 𝑑1 = √4. 𝑚3. 𝑣4 𝜋. 𝜔 = √ 4 . 0,12823 . 0,135 𝜋. 15 = 0,038𝑚 = 38𝑚𝑚
Dựa vào bảng 10.2 [TL1,tr.346] ta chọn ống 40A
m) Đường ống từ bình chứa hạ áp về đầu hút máy nén
Tra bảng 10.1. “Tốc độ dòng chảy thích hợp ω” [TL1, tr.345] ω = 15 ÷ 25. Chọn giá trị ω = 15 (m/s) 𝑑2 = √4. 𝑚1. 𝑣1 𝜋. 𝜔 = √ 4 . 0,1065 . 2,2825 𝜋. 15 = 0,143𝑚 = 143𝑚𝑚
Dựa vào bảng 10.2 [TL1,tr.346] ta chọn ống 150A
3.2.2 Tính kiểm tra chu trình và chọn máy nén cho cụm sử dụng chất tải lạnh -120C
Thông số ban đầu:
Năng suất lạnh Q0 = 593,1 kW Nhiệt độ ngưng tụ: 350C
53 Nhiệt độ sôi môi chất: - 120C
Tra bảng tính chất nhiệt động của NH3 trạng thái bão hòa [TL4,tr.303-311] ta có: pk = 13,503 bar, p0 = 2,6785 bar
∆Tqn = 5 oC ; ∆Tql = 50C
Hình 3.3: Đồ thị lgp-h và T-s của chu trình chất tải lạnh
Điểm 1’:
t1’ = t0 = -12oC
Tra bảng tính chất nhiệt động của NH3 trạng thái bão hòa [TL4, tr303-311], suy ra: p1’ = 2,6785 bar
v1’ = 0,14541 m3/kg h1’ = 1446,9 kJ/kG s1’ = 5,7805 kJ/kG.0C
Điểm 1:
Nhiệt độ hơi hút th là nhiệt độ trước khi về máy nén. Nhiệt độ hơi hút bao giờ cũng phải lớn hơn nhiệt độ sôi của môi chất để đảm bảo máy nén không hút phải lỏng.
Đối với môi chất amoniac ∆th = 5 ÷ 15K ta chọn ∆th= 5oC [TL1, tr.208] t1= th = t0 +∆th = -12 + 5 = -70C
54 Tra bảng tính chất nhiệt động của NH3 trạng thái hơi quá nhiệt [TL4, tr312-326], suy ra:
v1 = 0,461 m3/kg h1 = 1459,28 kJ/kG s1 = 5,827 kJ/kG.0C
Điểm 2:
p2 = pk = 13,503 bar
t2 = 90oC do các nhà sản xuất máy nén thường yêu cầu giới hạn nhiệt độ đầu đẩy dưới một giá trị nhất định để ngăn chặn sự quá nhiệt, kéo dài tuổi thọ và ngăn chặn sự phá vỡ kết cấu của dầu ở nhiệt độ cao. Vì thế nhiệt độ cho phép tối đa là 90oC.
Tra bảng tính chất nhiệt động của NH3 trạng thái hơi quá nhiệt, suy ra: v2 = 0,1224 m3/kg v2 = 1646,07 kJ/kG s2 = 5,68 kJ/kG.oC Điểm 3’: t3’ = tk = 35oC p3’ = pk = 13,503 bar
Tra bảng tính chất nhiệt động của NH3 trạng thái bão hòa, suy ra: