5.1.1. Quá trình nạp tải cho chất biến đổi pha
Từ đồ thị ( Hình 5.1 ) ta có các kết quả khi làm lạnh Glycerin với các nồng độ khác nhau như sau:
- Glycerin 10%: Trong 100 phút đầu tiên thì nhiệt độ dung dịch giảm từ 30oC xuống còn - 3.6℃, từ 100 phút trở về sau thì nhiệt độ có tăng nhẹ lên -3.1℃ và các giá trị cũng thay đổi không đáng kể.
- Glycerin 20%: Nhiệt độ dung dịch giảm từ 30℃ xuống -3.2℃ trong 110 phút và sau đó tăng nhẹ lên -2.8℃ và sau 60 phút bắt đầu giảm xuống -3.9℃ và giá trị không đổi về sau. - Glycerin 30%: Nhiệt độ dung dịch giảm từ 30℃ xuống -1.2℃ trong 100 phút đầu và tiếp tục giảm đến -4℃ và sau đó không đổi.
- Glycerin 40%: Trong 120 phút thì nhiệt độ dung dịch giảm từ 30℃ xuống còn -9.5℃ và trong khoảng thời gian tiếp theo thì nhiệt độ tăng nhẹ lên -8.2℃ và không đổi đáng kể về sau.
68 Qua đó ta có thể thấy nhiệt độ làm lạnh Glycerin phụ thuộc nồng độ. Nồng độ càng cao thì thời gian làm lạnh càng nhanh, nhiệt độ sâu hơn.
5.1.2. Quá trình xả tải cho chất biến đổi pha
Qua kết quả (Hình 5.2) ta thấy được từ 50 phút xả tải đầu tiên thì nhiệt độ các dung dịch thay đổi như sau: Glycerin 40% từ -8.4℃ lên 13.2℃, Glycerin 30% tăng từ -4.3℃ lên 12.9℃, Glycerin 20% tăng từ -3.9℃ lên 16.7℃, Glycerin 10% tăng từ -3.3℃ lên 12.9℃. Xả đến 120 phút thì nhiệt độ Glycerin 40% là thấp nhất 15.9℃, tiếp đến là Glycerin 10% 17.1℃, Glycerin 30% là 18.4 ℃, và cao nhất là Glycerin 20% với 19.9℃.
69 Dựa vào biểu đồ sự thay đổi nhiệt độ nước khi xả tải Glycerin theo nồng độ
(Hình 5.3) ta thấy rằng:
- Trong khoảng thời gian 20 phút đầu tiên nhiệt độ nước giảm nhanh đối với Glycerin 40% (16.2℃) và Glycerin 20% (16.3℃), nhiệt độ nước giảm chậm hơn đối với Glycerin 30% (18.7℃) và Glycerin 10% (19.3℃).
- Đến 120 phút thì nhiệt độ nước 16.5℃ đối với Glycerin 40%, 18.9℃ đối với Glycerin 20%, 19.6℃ đối với Glycerin 30% và 19.9℃ đối với Glycerin 10%.
Qua các kết quả thực nghiệm ta thấy Glycerin 40% có thời gian làm lạnh nhanh và nhiệt xuống sâu nhất, quá trình xả tải giữ được nhiệt độ thấp nhất và khả năng làm lạnh nước tốt nhất.
5.2. Kết quả vận hành mô hình hệ thống ĐHKK Water Chiller kết hợp bồn tích trữ lạnh lạnh
5.2.1 Quá trình nạp tải
Khi vận hành hệ thống điều hòa không khí Water Chiller kết hợp bồn tích trữ lạnh, dung dịch được bơm vào bồn tích trữ lạnh (Hình 5.4) thể hiện sự thay đổi của chất trữ lạnh
Hình 5.3. Biểu đồ nhiệt độ nước theo thời gian phụ thuộc nồng độ Glycerin được làm lạnh
70 theo thời gian. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng nhiệt độ chất trữ lạnh trong bồn ban đầu đo được là 29,9 oC. Sau khi quá trình nạp tải diễn ra được 20 phút, nhiệt độ giảm từ 29,9 oC xuống 28,4 oC, năng lượng tích trữ trong bồn tăng dần. Sau 120 phút vận hành hệ thống nhiệt độ chất trữ lạnh giảm xuống còn 19,6 oC. Thực hiện khảo sát tích trữ lạnh cho thấy nhiệt độ chất trữ lạnh có xu hướng giảm dần theo thời gian do quá trình trao đổi nhiệt trong bình bay hơi diễn ra ổn định, và kết cấu bao che cho bồn tích trữ đảm bảo tránh tổn thất nhiệt ra môi trường. Kết quả sau 420 phút vận hành hệ thống, nhiệt độ chất trữ lạnh trong bồn đạt được là - 3,1 oC. Theo đồ thị hình 5.4 nhiệt độ chất trữ lạnh trong bồn giảm đều theo đường xuyên, mức giảm trung bình là 1 oC/ 12,7 phút.
Hình 5.4. Sự thay đổi nhiệt độ chất trữ lạnh trong quá trình nạp tải.
5.2. Quá trình xả tải
5.2.1. Sự thay đổi nhiệt độ chất tải lạnh và chất trữ lạnh khi thực hiện quá trình xả tải tải
Hình 5.5 thể hiện sự thay đổi nhiệt độ của chất tải lạnh ra và vào khỏi dàn trao đổi nhiệt khi thực hiện quá trình xả tải. Nhiệt độ chất tải lạnh trước khi vận hành FCU là 9,8oC và 13,8oC tương ứng ở vị trí bộ góp dưới và bộ góp trên,do trong quá trình nạp tải lượng chất tải lạnh ở trong dàn trao đổi nhiệt và hai bộ góp đã thực hiện quá trình trao đổi nhiệt
71 làm cho nhiệt độ chất tải lạnh giảm xuống. Sau thời gian xả tải 20 phút, nhiệt độ chất tải lạnh ra và vào dàn trao đổi nhiệt có xu hướng tăng nhẹ trở lại, nhiệt độ chất tải lạnh ra khỏi bộ góp dưới là 12,3ºC, nhiệt độ chất tải lạnh từ FCU về bộ góp trên là 16,4ºC. Điều này chỉ ra rằng độ chênh nhiệt độ chất tải lạnh vào và ra FCU là 4,1ºC, chất tải lạnh đi vào các FCU và thực hiện quá trình trao đổi nhiệt làm cho nhiệt độ chất tải lạnh tăng lên. Tương tự, sau 220 phút thực hiện quá trình xả tải, nhiệt độ chất tải lạnh ra khỏi bộ góp dưới là 14,5ºC, nhiệt độ chất tải lạnh từ FCU về bộ góp trên là 17,8ºC. Độ chênh nhiệt độ chất tải lạnh vào và ra FCU là 3,3ºC. Sau 360 phút, nhiệt độ chất tải lạnh ra khỏi bộ góp dưới là 15,5ºC, nhiệt độ chất tải lạnh từ FCU về bộ góp trên là 18,6ºC. Độ chênh nhiệt độ chất tải lạnh vào và ra FCU là 3,1ºC. Độ chênh nhiệt độ có xu hướng giảm xuống so với thời gian đầu, điều này xảy ra là do nhiệt độ chất tích trữ lạnh trong bồn đã tăng lên khi thực hiện quá trình xả tải. Trong quá trình xả tải do sự trao đổi nhiệt của chất trữ lạnh với dàn ống chất tải lạnh mà nhiệt độ chất trữ lạnh trong bồn tăng lên. Như thể hiện (Hình 5.6), tại thời điểm bắt đầu xả tải, nhiệt độ chất trữ lạnh là - 3,1oC. Tại thời điểm 360 phút, nhiệt độ chất trữ lạnh là 13,7ºC tương ứng với nhiệt độ vào và ra dàn trao đổi nhiệt là 15,5ºC và 18,6ºC tại cùng thời điểm. Mức tăng nhiệt độ trung bình chất trữ lạnh trong bồn trong quá trình xả là 1oC/21,4 phút.
72
Hình 5.6. Sự thay đổi nhiệt độ chất trữ lạnh trong quá trình xả tải.
5.2.2 Sự thay đổi nhiệt độ không khí ra khỏi FCU khi thực hiện quá trình xả tải
Sau quá trình nạp tải trong 7 giờ, quá trình xả tải được thực hiện. Chất tải lạnh được bơm đẩy qua dàn trao đổi nhiệt để thực hiện quá trình trao đổi nhiệt, giảm nhiệt độ. Chất tải lạnh có nhiệt độ thấp sẽ được phân phối đến 4 FCU có tổng công suất lạnh 25 kW đặt trong không gian 400 m2. Khi bắt đầu thực hiện quá trình xả tải, nhiệt độ phòng là 32ºC. Sau 20 phút, nhiệt độ không khí ra khỏi FCU là 16,5ºC, nhiệt độ phòng giảm xuống 28ºC. Tại thời điểm sau 40 phút, nhiệt độ không khí ra khỏi FCU là 19ºC, nhiệt độ phòng giảm xuống 27ºC. Sau quá trình vận hành xả tải 360 phút, nhiệt độ không khí ra khỏi FCU có tăng nhẹ và duy trì ở nhiệt độ 21ºC, nhiệt độ phòng là 26ºC, nhiệt độ luôn có xu hướng ổn định. Sự thay đổi nhiệt độ không khí ra khỏi FCU được thể hiện ở Hình 5.7.
73
Hình 5.7. Sự thay đổi nhiệt độ không khí ra khỏi FCU khi thực hiện quá trình xả tải.
5.2.3. Sự thay đổi áp suất và dòng điện khi thực hiện quá trình nạp tải.
Khi vận hành hệ thống điều hòa không khí Water Chiller, áp suất đầu hút, áp suất đầu đẩy cùng với áp suất dầu sẽ thay đổi theo thời gian(Hình 5.8) .Sự thay đổi của áp suất theo thời gian. Kết quả đo được cho thấy rằng trong 180 phút đầu thì mọi áp suất đều ổn định, cụ thể là áp suất đầu hút là 3 (bar), áp suất đầu đẩy là 13.5 (bar) và áp suất dầu là 6 (bar) nhưng 120 phút sau đó ta thấy áp suất đầu hút giảm còn 2 (bar), áp suất đầu đẩy là 13 (bar), áp suất dầu là 4 (bar). Và 120 phút tiếp sau đó thì áp suất lại giảm đều nhưng giảm chậm hơn 120 phút trước đó. Sự thay đổi trên cho thấy lúc mới khởi động, hệ thống được diễn ra ổn định nhưng tương ứng với mỗi mốc thời gian sau đó thì áp suất sẽ giảm dần do cần làm lạnh sâu hơn do nhiệt độ bồn giảm thì van tiết lưu sẽ làm giảm nhiệt độ bay hơi, dẫn đến LP giảm, HP giảm cũng như OP giảm để thích hợp với nhu cầu làm lạnh và được thể hiện ở Hình 5.8.
74
Hình 5.8. Áp suất máy nén thay đổi theo thời gian
Khi vận hành hệ thống điều hòa không khí Water Chiller,cũng như áp suất thì dòng điện của hệ thống và dòng điện của máy nén cũng sẽ thay đổi theo thời gian. (Hình 5.9) Sự thay đổi dòng điện theo thời gian. Kết quả đo được cho thấy sau khi khởi động hệ thống được 60 phút ta đo được dòng của hệ thống là 70(A) dòng của máy nén là 40(A). Sau khi quá trình vận hành hệ thống diễn ra thêm 120 phút thì dòng của hệ thống và máy nén vẫn giữ nguyên. Nhưng sau đó 120 phút nữa thì ta thấy dòng của hệ thống giảm còn 65(A) và dòng của máy nén cũng giảm tương ứng chỉ còn 35(A). Thực nghiệm cho thấy rằng dòng điện chỉ ổn định ở thời gian đầu, nhưng khi hệ thống được vận hành quá lâu thì dòng điện sẽ giảm dần do tải của máy đang giảm dần.
75
Hình 5.9. Dòng điện của máy nén và hệ thống thay đổi theo thời gian
5.3. Điện năng tiêu thụ
Bảng 5.1 Số điện tiêu thụ được đo trên đồng hồ
Điện năng tiêu thụ (KWh)
Ban đầu 124070
Khi dừng máy nén 124306
Khi dừng FCU 124321
Cho vị trí cung cấp điện áp dưới 6kV thì giá điện được tính như sau theo giá bán lẻ điện của EVN:
Bảng 5.2. Giá bán lẻ điện cho nhóm cấp điện dưới 6kV
Khung giờ Giá (đồng/KWh)
Giờ bình thường 1685
Giờ thấp điểm 1100
76 Từ đó đưa ra bài toán so sánh chi phí vận hành trong một ngày của hệ Water Chiller tích trữ lạnh và Water Chiller không tích trữ lạnh:
- Số điện khi chạy chiller tích trữ lạnh trong 7 giờ : 236 (kWh) - Số điện khi chạy FCU trong 6 giờ : 15 (kWh)
- Số điện khi chạy chiller trong 1 giờ bằng số điện chạy chiller tích trữ lạnh trừ cho bơm của bồn (7 kWh) và cộng cho số điện khi chạy FCU:
=> Công suất điện chiller thường = 236
7 - 7 + 15
6 = 29.2 (kWh)
- Số tiền điện khi vận hành hệ thống water chiller trong 6 giờ vào ban ngày ( 2 giờ cao điểm và 4 giờ thường).
=> Số tiền Chiller thường = 29.2 * (2*3.076 + 4*1.685) = 376.45 (ngàn đồng)
- Số tiền điện khi vận hành hệ thống water chiller trữ lạnh trong 6 giờ thấp điểm vào ban đêm và FCU trong 6 giờ vào ban ngày ( 2 giờ cao điểm và 4 giờ thường )
=> Số tiền chiller kết hợp tích trữ lạnh: => 236
7 × 6 × 1.1 + 15
6 × ( 2×3.076 + 4×1.685 ) = 254.73 ( ngàn đồng )
77 Ta thấy rằng, khi thay đổi hệ thống Water Chiller bằng hệ thống Water Chiller kết hợp tích trữ lạnh để vận hành vào giờ thấp điểm thì đã tiết kiệm được một số tiền không hề nhỏ. Cụ thể trong 6 giờ trên đã tiết kiệm được 32.3 % (Hình 5.10).
78
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
6.1. Kết luận
Qua các quá trình tìm hiểu, nghiêm cứu, thiết kế, thi công lắp đặt thì hệ thống ĐHKK Water Chiller kết hợp tích trữ lạnh đã được đưa vào vận hành thử nghiệm và đạt được các kết quả sau:
- Đạt yêu cầu về các giá trị nhiệt độ khi vận hành hệ thống: nhiệt độ bồn tích trữ lạnh, nhiệt độ của chất tải lạnh, nhiệt độ phòng,… và yêu cầu về thời gian nạp tải và xả tải.
- Độ chênh nhiệt độ của chất tải lạnh khi vào và ra dàn trao đổi nhiệt của FCU là khoảng 3-4℃.
- Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra bên trong bồn tích trữ đạt hiệu quả khi nhiệt độ bên trong bồn đạt nhiệt độ yêu cầu là – 3,1°C.
- Trong hệ thống này dung dịch trong bồn trữ lạnh được bơm trực tiếp qua bình bay hơi để làm lạnh do đó không sử dụng thêm dàn trao đổi nhiệt bên trong bồn giúp giảm được chi phí.
- Mặc khác, hệ thống vận hành với dung dịch chất biến đổi pha (Glycerin) nên việc dàn ống trao đổi nhiệt làm bằng ống nhựa PVC trong thực tế là phù hợp. Đáp ứng được nhu cầu về kinh tế, kỷ thuật và tiết kiệm chi phí điện năng.
- Qua vận hành hệ thống cho thấy chi phí về năng lượng của hệ thống chiller kết hợp tích trữ lạnh tiết kiệm hơn 30% so với hệ thống chiller không có tích trữ lạnh.
6.2. Kiến nghị
Qua tiến hành chạy thực nghiệm nhóm nhận thấy hệ thống cần được nghiên cứu để cải tiến hơn về kết cấu cũng như dung dịch tích trữ lạnh cụ thể như sau:
- Nghiên cứu sử dụng dàn ống trao đổi nhiệt đồng hoặc thép để tăng khả năng trao đổi nhiệt cho hệ.
- Nghiên cứu các dung dịch biến đổi pha cho hệ tích trữ lạnh.
- Nghiên cứu các loại cách nhiệt để tăng khả năng tích trữ lạnh cho bồn.
79
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] B.Rismanchi, R.Saidur, H.H.Masjuki, T.M.I.Mahlia, Energetic, economic and environmental benefits of utilizing the ice thermal storage systems for office building applications,Vol. 50, July 2012.
[2] Kurt Roth, Ph.D., Associate Member ASHRAE; Robert Zogg, P.E., Member
ASHRAE; and
James Brodrick, Ph.D., Member ASHRAE. Published in ASHRAE Journal Vol. 48, September 2006.
[3] Benjamin L. Ruddell, Francisco Salamanca, Alex Mahalov. Reducing a semiarid city’s peak electrical demand using distributed cold thermal energy storage. Applied Energy 134, 2014.
[4] Yingming Xie, Gang Li a, Daoping Liu a, Ni Liu a, Yingxia Qi a, Deqing Liang b, Kaihua Guo b, Shuanshi Fan. Experimental study on a small scale of gas hydrate cold storage apparatus. Applied Energy 87, 2010.
[5] Xiwen Cheng, Xiaoqiang Zhai. Thermal performance analysis and optimization of a cascaded packed bed cool thermal energy storage unit using multiple phase change materials. Applied Energy 215, 2018.
[6] Xiaolin Wang, Mike Dennis. Characterisation of thermal properties and charging performance of semi-clathrate hydrates for cold storage applications. Applied Energy 167, 2016.
[7] E. Oró, A. de Gracia, A. Castell, M.M. Farid, L.F. Cabeza. Review on phase change materials (PCMs) for cold thermal energy storage applications. Applied Energy 99, 2012.
[8] Qinghua Yu, Fideline Tchuenbou-Magaia, Bushra Al-Duri, Zhibing Zhang, Yulong Ding, Yongliang Li. Thermo-mechanical analysis of microcapsules containing phase change materials for cold storage. Applied Energy 211, 2018.
80 [9] Yuehong Bi, Tingwei Guo, Liang Zhang, Lingen Chen, Fengrui Sun. Entropy generation minimization for charging and discharging.
[10] Tadafumi Daitoku, Yoshio Utaka. Separation characteristics of clathrate hydrates from a cooling plate for efficient cold energy storage. Applied Energy 87, 2010.
[11] Lucio Melone, Lina Altomare, Alberto Cigada, Luigi De Nardo. Phase change material cellulosic composites for the cold storage of perishable products: From material preparation to computational evaluation. Applied Energy 89, 2012.
[12] Changjiang Wang, Zitao He, Hailong Li, Ronald Wennerstern, Qie Sun. Evaluation on performance of a phase change material based cold storage house. Energy Procedia 105 ( 2017) 3947 – 3952.
[13] Nguyễn Quốc Định, Nghiên Cứu Dùng Công Nghệ Tích Trữ Lạnh Cho Hệ Thống Điều Hoà Không Khí Water Chiller, Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6, 2008.
[14] Hương LTV. Nghiên cứu thiết kế thiết bị tích trữ lạnh cho hệ thống điều hoà không khí Water Chiller sân bay Đà Nẵng. Luận văn thạc sỹ, đại học Đà Nẵng, 2014.
[15] Vy NTT. Nghiên cứu tiết kiệm năng lượng bằng bồn tích trữ lạnh. Luận văn thạc sỹ, đại học Đà Nẵng, 2011.
[16] TS Lê Xuân Hòa. Bài giảng Kỷ thuật lạnh cơ sở. Lưu hành nội bộ.
[17] Nguyễn Đức Lợi. Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2011.
[18] TS Lê Xuân Hòa. Bài giảng máy và thiết bị lạnh lưu hành nội bộ.
[19] PGS. Hoàng Đình Tín. Truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt. Nhà xuất bản Trung tâm nghiên cứu thiết bị và năng lượng mới Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM [20] Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58(06/2020).
81 [22] https://aluphuongnam.com/bang-gia-bong-thuy-tinh?