Nghiên cứu dùng công nghệ tích trữ lạnh cho hệ thống điều hoà không khí water chiller

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 86 NGHIÊN CỨU DÙNG CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ LẠNH CHO HỆ THỐNG ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ WATER CHILLER RESEARCHING APPLICATIONS OF COOL STORAGE TECNOLOGY FOR AIR-CONDITIONING WATER CHILLER SYSTEM SVTH: NGUYỄN QUỐC ĐỊNH Lớp: 03N1, Trường Đại Học Bách Khoa GVHD: THS. HUỲNH NGỌC HÙNG Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh, Trường Đại Học Bách Khoa TÓM TẮT Nghiên cứu công nghệ tích trữ lạnh cho hệ thống điều hoà không khí water chiller. Áp dụng tính toán thiết kế bình trữ lạnh cho hệ thống điều hoà không khí đang hoạt động của nhà máy Mabuchi Motor. So sánh hiệu quả kinh tế khi lắp bình trữ lạnh vào hệ thống điều hoà không khí và hệ thống điều hoà khí không sử dụng bình trữ lạnh. SUMMARY Researching cool storage technology for Air-Conditioning Water Chiller systems. Apply to design cool storage tank for Air-Conditioning Water Chiller systems in Mabuchi Motor factory. Compare economically among two projects. 1. Mở đầu: Trong cuộc sống hiện đại, hệ thống điều hoà không khí là một trong những thiết bị không thể thiếu trong các toà nhà, văn phòng , khách sạn, ngân hàng, nhà máy máy sản xuất thiết bị điện tử…. Để vận hành những hệ thống điều hoà này, chúng ta cần một lượng năng lượng lớn (điện năng ), có thể chiếm tới 70% tổng năng lượng sử dụng của cả nhà máy . Thêm vào đó, hiện tượng quá tải của lưới điện trong giờ cao điểm và giá điện giờ cao điểm cao hơn gấp 3 giờ thấp điểm. Làm thế nào để giảm thiểu được chi phí điện năng tiêu thụ cho hệ thống điều hoà không khí là một trong những vấn đề được nhiều người quan tâm nhất hiện nay. Có nhiều biện pháp để giảm điện năng cho hệ thống điều hoà không khí, trong báo cáo này em xin trình bày một cách tiết kiệm hiệu quả và đơn giản đó là công nghệ tích trữ lạnh. 2. Nội dụng:  Nguyên lý chung của công nghệ tích trữ lạnh  Sơ đồ nguyên lý của tích trữ lạnh toàn phần  Tính toán thiết kế bình trữ lạnh  Tính kinh tế khi sử dụng bình trữ lạnh 2.1. Nguyên lý chung của công nghệ tích trữ lạnh: Nguyên lý chung của hệ thống tích trữ lạnh là tích trữ lạnh dưới dạng nước, băng, hay chất PCM có điểm nóng chảy ở nhiệt độ thấp …. Lúc hệ thống ở chế độ phụ tải thấp, giá điện rẻ và sử dụng lượng lạnh này cung cấp cho phụ tải cao, giá điện cao. Bảng 1 : So sánh đặc tính của phương pháp trữ lạnh Chất dùng để tích trữ lạnh Nhiệt độ tích trữ ( 0C ) Nhiệt độ xả tải ( 0C ) Nhiệt độ biến đổi pha ( 0 C ) Dung tích ( m 3 /kWh ) Nước 4 đến 7 5 đến 8 - 0,0861 đến 0,1690 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 87 Băng -9 đến -3 1 đến 3 0 0,0193 đến 0,0265 PCM 4 đến 5 7 đến 8 7 0,0450 Tích trữ lạnh có 2 cách thức là : Tích trữ 1 phần và tích trữ toàn phần . - Đối với tích trữ 1 phần : Hệ thống tích trữ lạnh trong suốt giờ thấp điểm, và chỉ bổ sung tải một phần cho tải lạnh trong giờ cao điểm. - Đối với tích trữ toàn phần : Hệ thống trữ lạnh trong suốt giờ thấp điểm, và cấp lạnh cho tải trong suốt giờ cao điểm, máy lạnh water chiller ngưng hoạt động sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất. 2.2. Sơ đồ nguyên lý của tích trữ lạnh toàn phần: 2.3. Tính toán thiết kế bình tích trữ lạnh: 2.3.1. Lựa chọn dạng bình tích trữ lạnh : Bình tích trữ lạnh chứa chất PCM mỗi module có thể có dạng hình hộp (PCM dạng tấm phẳng ) cầu hay trụ. Với bình trữ lạnh của ta thiết kế do không chịu áp lực, để chế tạo đơn giản chọn bình dạng hộp là thích hợp nhất. Bình trữ lạnh dạng hộp có cấu tạo : các ống nước núc vào 2 mặt sàn, PCM điền đầy bọc quanh các ống nước. 2.3.2. Giải bài toán đông đặc PCM với vách trụ : 1. Phát biểu bài toán : Nước chảy trong ống có hệ số toả nhiệt  , nhiệt độ nước tnl . PCM ( tnv , ,, PP  LP, CP ) bọc ngoài ống hình trụ ( R1/R2 ). Quá trình trao đổi nhiệt như sau : Nước lạnh làm lạnh PCM đến nhiệt độ đông đặc và làm đông đặc hết khối PCM. t RRdRR 1 2 0 PCM Nöôùc t nl 0 t  q nl t t dd nv t 2 1    t 0 Hình 2.1. Ở chế độ đang tích trữ ( nạp tải ) Hình 2.2.Ở chế độ đang sử dụng ( xả tải ) Hình 3.1 – Mô hình bài toán đông đặc Hình 3.2 - Thời gian đông đặc Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 88 * Các giả thiết khi giải bài toán : - Nhiệt độ ban đầu của khối PCM là đồng đều và bằng nhiệt độ nước về t0 = tnv . - Chiều dày ống nước mỏng 0/ vv  - Khối PCM được cách nhiệt lý tưởng - Quá trình hoá rắn ranh giới giữa phần rắn và phần lỏng có dạng trụ trơn. 2. Giải bài toán đông đặc : Quá trình đông đặc chia làm 2 giai đoạn : - Giai đoạn 1 : làm mát từ nhiệt độ tnv đến nhiệt độ tcp mất thời gian 1 Phương trình cân bằng nhiệt cho thể tích VP trong khoảng thời gian d là :  dttFdtCV ttdPPP )(     d CV F tt dt PPP d t t tt cp nv    1 0 Với 2 1 2 2 1 2 1 2 2 1 2 ).( .2. RR R lRR lR V F P       12 1 2 2 12.ln   RR R Ctt tt PP d ttcp ttnv     ( 1 ) - Giai đoạn 2 : Khối PCM đông đặc trong khoảng thời gian 2 Gọi  độ dày trung bình của PCM đông đặc sau thời gian 2 :  =R2 – R1 dR là độ dày lớp PCM đông đặc sau thời gian d Phương trình cân bằng nhiệt cho dV = 2  RdR.  tạo ra sau thời gian d Lượng nhiệt toả ra khi dV hoá rắn = Nhiệt dẫn qua vách PCM đã hoá rắn ra nước lạnh:     d R R R tt RdRL Pdd ttcp Pp 11 ln 11 ).(.2 .2.         22 1 011 . )ln 11 (   dL tt RdR R R R PP ttcp R R Pdd 2 2 1 2 1 22 1 2 1 2 . )( )( 4 1 ln 2 1 .2  PP ttcp PPdd L tt RR R R R R    ( 2 ) Từ ( 1 ) và ( 2 ) ta có thời gian đông đặc hoàn toàn khối PCM thể tích VP là: )]( .4 1 ln .2 1 ..2 [ . ln ..2 )( 2 1 2 1 22 1 2 1 2 1 2 1 2 RR R R R RR tt L tt tt R RRC PPddttcp PP ttcp ttnv dd PP dd         2.3.3. Tính phụ tải lạnh nhà máy Mabuchi Motor 1. Chọn phương pháp tích trữ: Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 89 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240 H(giôø) Q(ton giôø) 0 100 200 300 300 200 100 0 Q(ton giôø) H(giôø)0 24222018161412108642 Tổng công suất lạnh của bình tích trữ cần chế tạo là : Q0 = 1800 ton-giờ = 6330,6 kWh. 2. Tính thiết kế bình trữ lạnh với năng suất trữ lạnh Q0 = 6330,6 kWh và thời gian trữ lạnh  6 giờ. Bảng tổng hợp các thông số ban đầu khi thiết kế bình trữ lạnh Tên đại lượng Ký hiệu Giá trị Đơn vị Nhiệt độ nước về bình tnv 13 0 C Nhiệt độ tích trữ ttt 4 0 C Nhiệt độ xả tải txt 8 0 C Nhiệt độ chuyển pha của PCM E7 tcp 7 0 C Khối lượng riêng của PCM E7 P 1542 kg/m 3 Nhiệt ẩn hoá rắn của PCM E7 LP 120 kJ/kg Nhiệt dung riêng của PCM E7 CP 2,18 kJ/kgK Hệ số dẫn nhiệt của PCM E7 P 0,4 W/mK Đường kính ống nước d 25 mm Chiều dài ống nước  10 m Hệ số toả nhiệt của nước ( t=4 0 C, sm /5,0 , d=25mm ) dd 1753,85 W/m 2 K Từ công thức (3) ta tính được R2 = 54 mm. Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật của bình trữ lạnh Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Kích thước mặt cắt ngang S 12,68 m2 Chiều dài bình L 11 m Chiều dày vỏ v 5 m Thể tích PCM VPCM 120 m 3 Khối lượng PCM GPCM 185,04 tấn Chiều dài một mét ống  10 m Đường kính ngoài ống d2 27 mm Đường kính trong ống d1 25 mm Khoảng cách giữa 2 tâm ống d=2R2 108 mm Số lượng ống n 1384 ống Tổng chiều dài ống N 13840 m Hình 5 - Biểu đồ công suất chiller khi không có bình trữ lạnh Hình 6 - Biểu đồ công suất chiller nhà máy khi có bình trữ lạnh Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 90 2.3.4. Cấu tạo bình trữ lạnh : 3.500 108 10 8 R=25 10.000 11.000 3. 50 0 2.4. Tính kinh tế khi sử dụng bình trữ lạnh: Nội dung Phương án sử dụng bình trữ lạnh Tổng giá thành đầu tư, triệu đồng 1901 Chi phí vận hành hàng năm hệ thống điều hoà , triệu đồng 2420 Chi phí vận hành hàng năm khi có bình tích trữ lạnh, triệu đồng 1702 Chi phí tiết kiệm hàng năm, triệu đồng 718 Số năm thu hồi vốn, năm 2,65 3. Kết luận :  Giảm được chi phí vận hành của hệ thống ĐHKK trung tâm.  Giảm tải cho lưới điện trong giờ cao điểm.  Gián tiếp giảm lượng phát thải khí CO2 của nhà máy điện.  Điều này có ý nghĩa hơn khi nhà nước tăng giá điện lên 15% và số giờ cao điểm tăng lên 7h so với 4h như hiện nay. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS. Võ Chí Chính (2005), Giáo trình ĐHKK, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [2] Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Quốc Phú, Truyền Nhiệt, Nhà xuất bản Giáo dục. CÁC TRANG WEB THAM KHẢO  www.ashrae.com  www.epsltd.co.uk  www.hvacr.com.vn  www.eren.doe.gov  www.vtt.fi  www.cevre.cu.edu.tr  www.acre.murdoch.edu.au