Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm quá trình trao đổi nhiệt trao đổi chất hỗn hợp trong tháp giải nhiệt của các hệ thống lạnh và điều hoà không khí

1
MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Tháp giải nhiệt (TGN) được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh
vực, đặc biệt là cho các hệ thống nhiệt - lạnh với nhiệm vụ giải nhiệt
cho hệ thống. Là một loại thiết bị trao đổi nhiệt (TĐN) hỗn hợp nên
quá trình truyền nhiệt trong tháp gắn liền với qúa trình truyền chất.
Hiệu qu
ả làm mát của tháp phần lớn phụ thuộc chủ yếu vào quá trình
bay hơi nước vào không khí, mà quá trình này lại phụ thuộc vào: điều
kiện khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm không khí), yêu cầu công nghệ (nhiệt
độ, lưu lượng nước cần làm mát), đặc trưng kết cấu khối đệm (diện
tích bề mặt riêng, chiều cao khối đệm)
Nước ta ở vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm có nhiệt độ
và độ ẩm
tương đối của không khí thường cao, cao hơn nhiều so với các nước
ở vùng ôn, hàn đới, nên hiệu quả làm mát của TGN thường thấp hơn
giá trị thiết kế của các hãng sản xuất đưa ra. Do chưa có những
nghiên cứu cụ thể về ảnh hưởng của môi trường khí hậu ở Việt nam
tới hiệu quả trao đổi nhiệt - trao đổi chất (TĐN - TĐC) trong TGN,
nên việ
c tính toán chưa dựa vào những cứ liệu khoa học. Vì vậy, kết
quả tính chắc chắn không tránh khỏi sai sót, dẫn đến hậu quả: hoặc
công suất lựa chọn quá thừa gây lãng phí hoặc thiếu công suất làm
mát ảnh hưởng đến hệ thống, thậm chí gây ra sự cố phá huỷ hệ thống.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt - truyền chất (TN - TC) và ảnh
hưởng của đ
iều kiện khí hậu nóng ẩm, yêu cầu công nghệ, đặc trưng
kết cấu khối đệm tới hiệu quả quá trình TĐN - TĐC trong TGN. Trên

cơ sở đó xây dựng các cơ sở khoa học tin cậy (mô hình toán học và
các phương trình tiêu chuẩn) cho phép đánh giá hiệu quả làm mát (số
2
lượng và chất lương làm mát) của các TGN đang hoạt động khi điều
kiện môi trường thay đổi, phục vụ cho việc nghiên cứu, tính toán,
thiết kế và điều khiển vận hành TGN trong điều kiện khí hậu nóng
ẩm ở Việt Nam là các mục tiêu cơ bản của luận án.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là các quá trình TN - TC trong TGN ngược
chiều - loại thiết bị được sử d
ụng với mục đích giải nhiệt cho các hệ
thống lạnh và điều hoà không khí ở Việt Nam.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Xây dựng phương pháp tính toán, đánh giá, kiểm tra hiệu quả
TN - TC trong các TGN, đặc biệt là các TGN làm việc trong điều
kiện khí hậu có nhiệt độ, độ ẩm cao phục vụ cho việc thiết kế và điều
khiển vận hành tối ưu các hệ
thống lạnh và điều hoà không khí.
5. Bố cục luận án
Luận án được trình bày trong 195 trang bao gồm phần mở đầu, kết
luận, tài liệu tham khao và 5 chương nội dung chi tiết. Chương 1:
Tổng quan về tháp giải nhiệt; Chương 2: Mô hình toán học quá trình
trao đổi nhiệt - trao đổi chất trong tháp giải nhiệt; Chương 3: Nghiên
cứu thực nghiệm; Chương 4: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số
yếu
tố tới hiệu quả làm mát của tháp giải nhiệt; Chương 5: Nghiên cứu
mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt - trao đổi chất trong tháp giải nhiệt.

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ THÁP GIẢI NHIỆT

Các hệ thống công nghệ nhiệt - lạnh đều có quá trình nhận và thải
nhiệt. Hiệu quả của các qúa trình này chịu tác động rất lớn từ nguồn
nhiệt cấp, môi trường nhận nhiệt thải và phương pháp tiến hành quá
trình. TGN là giải pháp được chấp thuận rộng rãi nhất để thực hiện
3
quá trình giải nhiệt cho các hệ thống lạnh và điều hoà không khí. Đây
là một thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống nhiệt lạnh.
1.1 Tháp giải nhiệt và các đặc tính cơ bản của tháp giải nhiệt
TGN là một thiết bị TĐN kiểu tiếp xúc, trong đó chất mang nhiệt
là nước truyền nhiệt cho chất nhận nhiệt là không khí, không qua mặt
ngăn cách mà bằng tiếp xúc trực tiếp.
1.1.3
Các đặc trưng cơ bản của TGN
* Quá trình trao đổi nhiệt hỗn hợp
Quá trình truyền nhiệt trong tháp là một quá trình hỗn hợp bao
gồm truyền nhiệt bằng đối lưu và truyền nhiệt bằng truyền chất.
* Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
Trong TGN diện tích tiếp xúc giữa các dòng lưu chất là diện tích
bề mặt của toàn bộ các giọt nước, màng nước trên bề mặt kh
ối đệm,
thành tháp… mà thực tế không thể xác định được một cách rõ ràng,
chính xác như các loại thiết bị TĐN bề mặt thông thường. Với đặc
điểm này, ở TGN người ta thường quan tâm tới hiệu quả làm mát hơn
là hệ số trao đổi [5],[6].
* Hiệu suất của TGN
Hiệu suất của TGN là đại lượng đánh giá giới hạn làm mát của
tháp và được xác định [5]:

1,
11

21
<
−
−
=
ηη
un
nn
tt
tt
(1.1)
1.1.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả làm mát của TGN
• Yếu tố khí hậu: nhiệt độ (t
k1
), độ ẩm không khí (ϕ)
• Yêu cầu công nghệ: nhiệt độ nước vào (t
n1
), hệ số tưới (μ)
• Kết cấu khối đệm: diện tích bề mặt riêng (f), chiều cao (H)
• Hướng tương đối của các dòng, thời gian tiếp xúc (τ)
1.2 Tình hình nghiên cứu về tháp giải nhiệt
4
1.2.1 Lịch sử nghiên cứu
Sự phát triển của lý thuyết TGN dường như bắt đầu với Fitzgerald
[28], [38]. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của Fitzgerald chưa thực sự
cụ thể về TĐN - TĐC trong TGN.
Merkel là trong những người đầu tiên đi sâu vào nghiên cứu về lý
thuyết TGN [103]. Ông đã kết hợp hai quá trình TN-TC, dựa trên thế
truyền enthalpy, để thiết lập ra phương trình truyền tổng hợp vào
những năm 1925.

Năm 1964, Klenke [102] đề xuất xây dựng đường đặc tuyến của
TGN, biểu diễn quan hệ giữa hiệu suất làm mát (η) và hệ số tưới (μ).
Năm 1973, Pope [105] từ các phương trình TN-TC chất cơ bản, đã
thiết lập hệ phương trình mô tả quá trình TĐN-TĐC trong thiết bị
TĐN hỗn hợp.
Một phương pháp khác là tính toán nhiệt độ nước ra và Enthalpy
của không khí ra đã được Dia [100] đề xu
ất vào năm 1975.
1.2.2 Lý thuyết Merkel và các nghiên cứu theo thuyết Merkel
1.2.2.1 Lý thuyết Merkel
Trên cơ sở phương trình cân bằng năng lượng:
Q
k
= Q
n
= Q (1.6)
Với thế truyền là enthalpy, phương trình truyền có dạng:
Q = β
∗
.F.[I
k
(t
n
) - I
k
(t
u
)] = β
∗
.f.V.[I

k
(t
n
) - I
k
(t
u
)] (1.7)
Kết hợp hai phương trình Merkel nhận được:

∫∫
−
=
−
==
2
1
1
2
)()()()(

.
**
I
I
t
t
uknk
nn
uknk

k
nn
n
n
tItI
dtC
tItI
dI
G
Vf
G
F
ββ
(1.9)
Phương trình (1.9) được gọi là phương trình Merkel.
1.2.2.2 Phát triển lý thuyết Merkel
Mehlig [104] đã phát triển phương trình của Merkel thành dạng:
5

∫∫
−−−−
==
F
t
t
nghngnhgh
p
knkgh
p
nn

n
V
n
n
dtdtrti
C
iti
C
dtC
dF
G
K
1
2
])()].[()(
.
[])([
.
.
''
*
''
*
*
β
α
β
α
β
(1.10)

Kiểm tra phương trình (1.10) so với thực nghiệm có cùng điều
kiện biên, Mehlig nhận thấy sai lệch giữa 2 kết quả giao động từ 9 ÷
15%, giá trị K
v
trung bình từ thực nghiệm thấp hơn 12%.
Lower và Chirstie [50] đã đề xuất hệ số truyền tổng hợp [kg/m
3
s]
và thiết lập được phương trình:

HA
G
V
tItI
dtC
Me
n
n
v
t
t
kngh
nn
n
n

.
)()(
.
1

2
λ
β
==
−
=
∫
(1.13)
Phương trình (1.13) đã được tính toán so sánh với phương trình
Merkel, với sai lệch khoảng 10% [50].
Kunxiong Tan, Shiming Deng [59], [60], [61], khi bỏ qua sức cản
của bề mặt và xác định enthalpy của không khí bão hòa theo nhiệt độ
bề mặt tiếp xúc I(t
gh
), đã viết lại phương trình Merkel thành:

kkgh
k
G
Vf
tItI
dI
)()(
*
β
=
−
∫
(1.15)
Vế trái của phương trình là đặc tính động học của tháp (Dynamic

Cooling Tower), vế phải là đặc tính khối đệm (Fill Characteristic).
Trên cơ sở phương trình Merkel, kết hợp với thực nghiệm, Viện
CTI (Cooling Tower Institute) [38], [40] đã xây dựng phương trình
biểu diễn mối quan hệ giữa β.F/G
n
, G
n
/G
k
và (t
n2
- t
ư1
) dạng:

m
k
n
n
G
G
C
L
VaK
G
F
⎟
⎟
⎠
⎞

⎜
⎜
⎝
⎛
== .

β
(1.16)
Tập hợp các đường cong (1.16) tạo thành đồ thị xác định hệ số đặc
trưng của tháp. Dựa trên kết quả này các hãng sản xuất TGN trên thế
giới như: Marley (Mỹ), Daeil Aqua (Hàn Quốc), Rinki (Hồng Kông),
Liangchi (Đài Loan)… đã xây dựng công cụ tính toán TGN.

6
1.2.3 Lý thuyết Klenke
Klenke [102] đề xuất xây dựng các đường đặc tuyến biểu diễn
quan hệ giữa hiệu suất làm mát (η) và hệ số tưới (μ):
η =
)(
11
21
μ
f
tt
tt
un
nn
=
−
−

(1.17)
Cùng quan điểm đó, Fisenko, Petruchik và Solodukhin [84] đã
nghiên cứu đặc tính khí động học trong TGN đối lưu tự nhiên. Từ đó,
các tác giả xác đã định được công thức tính hiệu suất của tháp:

5,0
5,0
0
00
0
00

).(
)((

).(
)(
.~ u
R
H
Rtt
t
rD
Rtt
tt
iiuni
nis
iuni
nik
k

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
−
−
+
−
−
ρρ
λη
(1.26)
1.2.4 Lý thuyết của Pope
Pope [105] đã xây dựng hệ phương trình vi phân trên cơ sở các
phương trình TN-TC cơ bản với thế truyền chất (d
gh
- d). Hệ phương
trình vi phân có dạng như sau:
⎪
⎪

⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
−−+−−−+−
−
+=
−−+−−−+−
−
=
)
.].)([)].()().[1
.
()(
].)(.[
1.(.
.].)([)].()().[1
.
()(
)(

0
*
0
*

nnnghnphknkgh
p
knkgh
nnghn
k
n
n
n
k
nnnghnphknkgh
p
knkgh
ngh
k
n
n
n
k
tCdtdtCrItI
C
ItI
tdtdC
G
G
C
dt
di
tCdtdtCrItI
C
ItI

dtd
G
G
C
dt
dd
β
α
β
α
(1.28)
Cùng quan điểm trên Stefanovic [83], [93] đã thiết lập hệ phương
trình cân bằng nhiệt, cân bằng chất đối với không khí và nước ở trạng
thái ổn định trong không gian 3 chiều, Theo Stefanovic hệ số TN-TC
tổng hợp trên một đơn vị thể tích β
v
thay đổi không những theo chiều
cao mà còn theo chiều ngang khối đệm.
Một cách tương tự, Trần Quốc Khánh [107], đã thiết lập hệ
phương trình vi phân mô tả quá trình TĐN - TĐC cho thiết bị trao
đổi nhiệt hỗn hợp cùng chiều, hệ phương trình có dạng:
7
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
+

−
+
−
−
=
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
−
+−
−=
phpk
phkn
ngh
kn
p
k
gh
ngh
phpkkn
pn
kn
CdC
Ctt

dtd
tt
Cdd
dt
r
dtd
CdCtt
CG
G
dd
dt
.
).(
)("
.
.
)("
).).((
.
.
.
β
α
β
α
(1.35)
1.2.5 Phương pháp Dia
Trên cơ sở phân tích đồng dạng của Sumanowitsch [106], Dia
[100] đã đề xuất phương pháp tính nhiệt độ nước ra và enthalpy của
không khí ra. Tuy nhiên, các hệ số trong phương pháp này được xác

định thuần túy bằng kinh nghiệm, nên có thể dẫn đến sai số lớn.
Các công trình nghiên cứu về TGN trên thế giới rất đa dạng,
nhưng đều được tiến hành trong điều kiện khí hậu có nhiệt độ và độ
ẩm rấ
t thấp. Vì vậy, vấn đề chính đặt ra trong các nghiên cứu này
không phải là ảnh hưởng của môi trường khí hậu mà là: sự bay hơi tự
nhiên trong TGN không có khối đệm [63], [68], [84]; chiều cao, cấu
trúc và kết cấu của vỏ TGN làm mát bình ngưng nhà máy điện [42],
[43], [75], [81], [91]; sự tuần hoàn của dòng không khí trong TGN
trao đổi nhiệt tự nhiên [64], [94]
Trong điều kiện khí hậu nóng ẩm ở Việt Nam trạng thái không khí
vào tháp có nhiệt độ, độ ẩm rất cao, có khi xấp xỉ
trạng thái bão hoà,
đây là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả
làm mát, tình trạng vận hành và tuổi thọ của hệ thống.

8
Chương 2
MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA QUÁ TRÌNH
TRUYỀN NHIỆT - TRUYỀN CHẤT TRONG TGN

2.1 Hệ phương trình truyền nhiệt - truyền chất
Quá trình làm mát nước diễn ra trong tháp là một quá TN - TC
hỗn hợp. Ngoài quá trình trao đổi nhiệt đối lưu còn có quá trình trao
đổi nhiệt bằng trao đổi chất. Vì vậy, mô tả quá trình trong TGN phải
là hệ phương trình biểu diễn quá trình TN - TC.
2.1.1 Giả thiết khi nghiên cứu
Thiết bị được coi là một hệ đoạn nhi
ệt, trong đó xẩy ra các quá
trình liên tục, ổn định, các giá trị nhiệt dung riêng C

pk
, C
ph
, C
n
là
không đổi, nhiệt độ bề mặt và tâm của giọt nước bằng nhau.
2.1.2 Quá trình truyền nhiệt - truyền chất cơ bản
Xét một phân tố diện tích bề mặt tiếp xúc dF, hình 2.1. Khi t
n
>
t
k
ta có các phương trình TĐN - TĐC cơ bản gồm:

G n + d G n
in + din
dQtc
dQdl
dF
ik + dik
d + d(d)
i
k , d
G
n , in
G
k
G k

Hình 2.1. Mô hình TĐN - TĐC trong phân tố dF
Trao đổi nhiệt đối lưu giữa nước và không khí
Lượng nhiệt trao đổi bằng đối qua dF:
dQ
đl
= α.(t
n
- t
k
)dF = α.Δt.dF (2.1)

9
Trao đổi nhiệt do nước bay hơi vào không khí
Với việc sử dụng hệ số truyền chất β [kgh/m
2
sPa] thì lượng nước
bay hơi trong quá trình được tính như sau:
dG
n
= β.(P
hgh
- P
h
).dF = β.ΔP.dF = G
k
.d(d) (2.3)
Lượng nhiệt trao đổi bằng truyền chất được xác định:
dQ
tc
= dG

n
.r
gh
= β.ΔP.r
gh
.dF (2.4)
2.1.3 Phương trình cân bằng nhiệt
* Phương trình cân bằng năng lượng: dQ = |dQ
n
| = |dQ
k
| (2.8)
* Phương trình truyền nhiệt - ẩm tổng hợp: dQ = dQ
dl
+ dQ
tc
(2.13)
Từ phương trình (2.1), (2.3) và (2.5) nhận được:
dQ = [α.Δt +
β .ΔP.r
gh
].dF (2.14)
2.1.4 Phương trình vi phân mô tả quá trình trong TGN
Từ các phương trình cơ bản (2.1), (2.3), (2.8) và (2.14) sau khi
biến đổi, ta thu được hệ phương trình:

⎪
⎪
⎪
⎪

⎩
⎪
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
−+
Δ
Δ
=
+−+
Δ
Δ
Δ+
Δ
Δ
=
]
.
.
[
)(
]
).).(
.
.
(
)
.

.
(
[
ngh
n
k
n
n
phpkngh
nph
k
n
n
k
ir
P
t
C
G
G
dt
dd
CdCir
P
t
CtC
P
t
G
G

dt
dt
β
α
β
α
β
α
(2.22)
Hệ (2.22) là hệ phương trình vi phân biểu diễn sự biến đổi của
nhiệt độ không khí (t
k
) và độ chứa hơi (d) theo nhiệt độ nước (t
n
). Để
giải được hệ phương trình vi phân này cần phải xác định các đại
lượng và quan hệ liên quan khác như:
- Quan hệ giữa độ chứa hơi và nhiệt độ d = f(t)
- Độ chênh phân áp suất (
Δ
P)giữa lớp không khí giới hạn và không khí
- Tỉ lệ lưu lượng khối lượng nước và không khí
- Tổ hợp hệ số trao đổi nhiệt - ẩm hỗn hợp
10

d
P
C
d
t

C
P
t
pkpk
Δ
=⇒
Δ
=
Δ
Δ
.
.
.
β
α
β
α
(2.38)
Thay (2.22) vào (2.38) nhận được hệ mới sau:
- Hệ phương trình theo biến thiên nhiệt độ nước:

⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
−+Δ
=

−+Δ
Δ
=
]
).(.
.
.[
]
)).(.(
.
.[
dirtC
Cd
G
G
dt
dd
dirtC
tC
G
G
dt
dt
nghpk
n
k
n
n
nghpk
n

k
n
n
k
(2.40)
- Hệ phương trình theo biến thiên độ chứa hơi:

⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
−+
Δ
=
Δ
=
]
.
.[
)(
)(
n
nghpk
n
kn
k
C

ir
d
t
C
G
G
dd
dt
d
t
dd
dt
(2.41)
(2.40), (2.41) là các hệ phương trình vi phân thường có thể giải
được bằng phương pháp số, chúng đơn giản và có ít đại lượng cần
xác định hơn dạng hệ phương trình (1.28) của Pope [105].
2.2 Phương trình xác định đặc trưng khối đệm
Phương trình xác định diện tích truyền nhiệt - truyền chất

∫
Δ
=
2
1
)(.
.
d
d
k
dd

P
G
F
β
(2.42)
Phương trình xác định chiều cao khối đệm

∫
Δ
==
2
1
)(

*
d
d
k
dd
fP
G
ZH
β
(2.48)
Kết hợp (2.40) với (2.42), (2.48) thu được hệ phương trình sau:

⎪
⎪
⎪
⎪

⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
Δ
=
Δ
=
−+Δ
=
−+Δ
Δ
=
)(

)(.
.
]
).(.
.
.[
]
)).(.(
.
.[

*
dd
fP
G
dz
dd
P
G
dF
dirtC
Cd
G
G
dt
dd
dirtC
tC
G
G
dt
dt
k
k
nghpk
n
k
n
n
nghpk
n

k
n
n
k
β
β
(2.49)
11
2.3 Điều kiện đơn trị và phương pháp giải
2.3.1 Điều kiện đơn trị
Điều kiện đơn trị: tính chất vật lý của không khí và nước (C
pk
,
C
n
), điều kiện hình học của thiết bị (H, f ) và điều kiện biên của
quá trình (t
k
, d, t
n
).
2.3.2 Phương pháp giải
Hệ phương trình (2.40), (2.41) và (2.49) có thể giải bằng phương
pháp số. Trong luận án đã chọn phương pháp số Runge - Kuta cấp 4
để giải các hệ này.
2.4 Xác định dạng các phương trình thực nghiệm
2.4.1 Các đại lượng đặc trưng về truyền nhiệt - truyền chất
Đặc trưng về nhiệt: t
k1
, d

k1
, t
k2
, d
k2
, t
n1
, t
n2
, G
n1
, G
n2
, G
k
, α, β
*

Đặc trưng về hình học: f, H, D, l
1
, l
2
, d
p

2.4.3 Dạng các phương trình thực nghiệm
Trên cơ sở lý thuyết đồng dạng đã xây dựng được các dạng phương
trình tiêu chuẩn sau:
a. Phương trình xác định hiệu quả làm mát

4
3
21
) ().().().(
11
1
1
1
1
1
2
k
k
n
k
k
n
u
k
n
k
n
n
Hf
G
G
t
t
t
t

C
t
t
=
(2.56)
b. Phương trình xác định hệ số đặc trưng của TGN

4
3
21
) ().().().(
.
11
1
1
1
2
*
m
m
n
k
m
n
u
m
n
k
p
Hf

G
G
t
t
t
t
C
C
=
β
α
(2.58)
c. Phương trình xác định kích thước đặc trưng của khối đệm

4
3
21
).().().().(.
11
2
1
1
1
1
3
p
n
k
p
n

n
p
n
u
p
n
k
G
G
t
t
t
t
t
t
CHf =
(2.60)
d. Phương trình xác định tỷ lệ lưu lượng nước và không khí

3
21
).().().(
11
1
1
1
4
1
2
q

n
k
q
n
u
q
n
k
n
n
G
G
t
t
t
t
C
G
G
=
(2.61)
12
Chương 3
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

3.2 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
3.2.1 Giới thiệu mô hình thực nghiệm
Mô hình thực nghiệm là thiết bị TGN T123D do hãng Didacta của
Ý chế tạo. Thiết bị T123D được sử dụng để mô tả trực quan nguyên
lý làm việc của TGN và thực hiện một số bài thí nghiệm đơn giản về

TĐN - TĐC trong TGN. Trước khi thực nghiệm, đã tiến hành kiểm
tra thiết bị
. Kết quả cho thấy: Thiết bị chưa đáp ứng được mục đích
của nghiên cứu. Do đó, để có thể nghiên cứu thực nghiệm trên thiết
bị T123D, thì phải cải tạo, nâng cấp thiết bị.
3.2.3 Cải tạo nâng cấp thiết bị thí nghiệm T123D
1 - Thay thế đồng hồ đo có nguyên lý làm việc tương tự nhưng độ
chính xác cao hơn (độ phân giải 0,1 K).
2 - Bổ
sung thêm vào hệ thống thiết bị điều chỉnh mềm công suất
điện cấp cho bộ phận gia nhiệt nước.
3 - Chế tạo thêm một số tháp có H và f khác nhau:
* 05 tháp tròn, d = 190 mm, H = 150 ÷ 750 mm và f = 300 m
2
/m
3
;
* 03 tháp vuông 150x150mm có H = 600mm, f = 200÷300 m
2
/m
3
.
4 - Bổ sung thêm các thiết bị như: Thiết bị tăng ẩm bay hơi tự
nhiên, tăng ẩm kiểu phun sương; tăng ẩm dạng phun hơi bão hoà và
thiết bị hoà trộn không khí.
3.2.4 Vận hành thử nghiệm và đánh giá
Sau khi cải tạo, nâng cấp, thiết bị T123D đã được chạy thử, kiểm
tra. Kết quả cho thấy:
Thiết bị đã đảm bảo yêu cầu cho nghiên cứu th
ực nghiệm. Tuy

nhiên, để thu được kết quả chính xác hơn đã bố trí thêm 4 đầu đo ở tiết
13
diện ngang miệng không khí ra. Giá trị tính toán sẽ là giá trị trung bình
của 4 đầu đo phụ và đầu đo chính. Ngoài ra để hạn chế các sai lệch
ngẫu nhiên, mỗi chế độ thực nghiệm được lặp lại 5 lần. Kết quả của
một chế độ thực nghiệm là giá trị trung bình của 5 lần đã đo.
3.4 CÁC CHẾ ĐỘ THỰC NGHIỆM VÀ XƯ LÝ KẾT QUẢ
3.4.2 Các chế độ th
ực nghiệm
Bảng 3.9. Giới hạn các thông số trong thực nghiệm
STT Tên đại lượng K.hiệuGiới hạn biến đổi
1 Nhiệt độ nước cần làm mát,
o
C t
n1
35 ÷ 45
2 Nhiệt độ không khí vào tháp,
o
C t
k1
25 ÷ 35
3 Độ ẩm không khí vào tháp, % ϕ
1
60 ÷ 90
4 Hệ số tưới μ 0,7 ÷ 2,5
5
Tốc độ không khí vào tháp, m/s
ω
0,5 ÷ 2,0
6 Diện tích bề mặt riêng khối đệm,

m
2
/m
3

f 0, 25, 125, 160,
200, 250, 300
7 Chiều cao khối đệm, cm H 15, 30, 45, 60, 75
8 Hình dạng mặt cắt ngang tháp vuông, tròn
Ngoài ra, đã tiến hành thực nghiệm trên một số tháp ngoài thực tế
ở các địa phương như: Hà Nội, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình
Đã thực hiện được 301 chế độ thí nghiệm trong phòng thí nghiệm
và hơn 26 chế độ trên thiết bị thực tế. Kết quả thí nghiệm là giá trị
trung bình của 5 lần đo với sai số ngẫu nhiên tương đối là 0,32% trên
mô hình thực nghiệm và 1,15 % với các đo đạc ngoài th
ực tế.
3.4.3.3 Đánh giá sai số
Nếu coi lượng nước bổ sung trong các chế độ thí nghiệm là chuẩn
xác, thì sai lệch giữa tính toán từ số liệu thực nghiệm và lượng nước
bổ sung có sai lệch trung bình 2,79%. Tương tự sai lệch trung bình về
cân bằng nhiệt tương ứng là 6,62%.
14
Sai lệch về cân bằng nhiệt lớn hơn cân bằng chất, tuy nhiên, các sai
lệch này không ảnh hưởng đến kết quả khi đánh giá về công suất nhiệt
vì công suất nhiệt sẽ được tính qua lượng nhiệt của nước được giải.


Chương 4
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁC YẾU TỐ CƠ BẢN
TỚI HIỆU QUẢ LÀM MÁT CỦA TGN

4.1 HIỆU SUẤT NHIỆT VÀ TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ TGN
Các tiêu chí đánh giá hi
ệu quả làm mát của TGN là: nhiệt độ nước
sau khi làm mát t
n2
, lượng nhiệt nước được giải Q
n
(công suất nhiệt)
và trở lực của khối đệm (ΔP).
Từ 301 chế độ thực nghiệm trên mô hình và 26 chế độ thực
nghiệm trên các TGN ngoài thực tế, đã tiến hành đánh giá ảnh hưởng
của các yếu tố tới hiệu quả làm việc của TGN.
4.2 ẢNH HƯỞNG TỚI HIỆU QUẢ LÀM MÁT TGN
4.2.1 Ảnh hưởng của yếu tố khí hậu
Ảnh hưởng của nhiệt
độ, độ ẩm không khí tới hiệu quả giải nhiệt
trong tháp là rất lớn. Đặc biệt trong điều kiện khí hậu nóng ẩm ở Việt
Nam thì các TGN được chế tạo ở vùng ôn, hàn đới sẽ có công suất
nhiệt giảm đi 60% và nhiệt độ nước sau khi được làm mát tăng lên ít
nhất là 2K. Đây là nhân tố ảnh hưởng chính của vùng khí hậu nóng
ẩm tới hiệu quả làm mát của TGN.
15
2
500
3
000
3
500
4

000
4
500
5
000
5
500
70 75 80 85 90
ϕ
[%]
→
Q
n
[kJ/h]
→
31
32
33
34
35
36
37
t
n2
[
0
C]
→
t
k1

= 30
o
C
t
k1
= 35
o
C
t
k1
= 30
o
C
t
k1
= 25
o
C
t
k1
= 35
o
C
t
k1
= 25
o
C

Hình 4.1. Ảnh hưởng của
ϕ
tới t
n2
, Q
n
khi t
n1
= 40
o
C

900
1400
1900
2400
2900
3400
25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
t
k1
[
0
C]
→
Q
n
[kg/h]
→
2

9
3
0
31
3
2
3
3
34
t
n2
[
0
C]
→
ϕ
1
= 80%
ϕ
1
= 70%
ϕ
1
= 80%
ϕ
1
= 70%
t
n2
Q

n

Hình 4.3. Ảnh hưởng của t
k
tới t
n2
, Q
n
khi t
n1
= 35
o
C
4.2.2 Ảnh hưởng của yêu cầu công nghệ
Nếu G
n
không đổi, khi tăng G
k
thì Q
n
tăng, t
n2
tốt hơn và η tăng.
Đây là một giải pháp để cải thiện và tăng hiệu quả làm mát của TGN
trong điều kiện môi trường có nhiệt độ cao và độ ẩm lớn.

16
4.2.3 Ảnh hưởng của kết cấu khối đệm
1000
2000

3000
4000
5000
6000
-5050150250350
f [m
2
/m
3
]
→
Q
n
[kJ/h]
→
G
bh
.2 [g/h]
10
15
20
25
30
35
40
45
Δ
P.5 [mmH
2
O]

t
n2
[
0
C]

→
t
n2
Q
n
ΔP
G
bh

Hình 4.6. Ảnh hưởng của f tới t
n2
,Q
n
,
Δ
P,G
bh
khi t
k1
= 30
o
C,
ϕ
1

=80%
1000
2000
3000
4000
5000
6000
150 300 450 600 750
H [mm]
→
Q
n
[kJ/h]
→
G
bh
.2 [g/h]
14
19
24
29
34
39
Δ
P.5[mmH
2
O]
t
n2
[

0
C]
→
G
bh
t
n2
Q
n
ΔP

Hình 4.8. Ảnh hưởng của H tới t
n2
, Q
n
,
Δ
P,G
bh
khi t
k1
= 25
o
C,
ϕ
1
=70%
4.3 ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH TN - TC
- ϕ tăng thì quá trình truyền chất giảm, mức giảm lớn nhất của Q
β

là 33%, trung bình là 26%, tương ứng với β là 52% và 39%.
- t
k1
tăng thì Q
α
và Q
β
có giảm, còn Q
α
lại giảm mạnh. Ở ϕ = 75%
Q
α
giảm tới 87%, Q
β
giảm 14% và khi ϕ =85% thì Q
β
giảm tới 32%.
17
- f tăng thì Q
β
và Q
α
tăng, α và β giảm. Cụ thể, mức độ biến đổi
của Q
β
, Q
α
, α, β theo f lớn nhất khí f < 250m
2

/m
3
, còn khi f tăng từ
250 lên 300m
2
/m
3
thì Q
β
, Q
α
, α, β thay đổi rất ít.
- H tăng, thì Q
β
, Q
α
, α, β đều tăng và tăng mạnh khi H thay đổi từ
150mm đến 600mm. Khi H > 600mm thì các đại lượng Q
β
, Q
α
, α, β
không tăng, mà có xu hướng giảm.
4.4 ẢNH HƯỞNG TỚI ĐẶC TRƯNG TN - TC
- Khi t
k1
thấp thì α/β
*
.C
p

cao, ϕ
1
thấp thì α/β
*
.C
p
thấp và ngược lại.
Giá tri α/β
*
.C
p
trung bình bằng 1,16. Kết quả này khá phù hợp với
kết quả của các tác giả nghiên cứu trước đây.
- Khi μ tăng (tăng G
n
) α/β
*
.C
p
giảm và tiến gần tới 1. Tỷ lệ Q
β
/Q
α

giảm, quá trình truyền chất giảm.
- Khi f tăng, α/β
*
.C
p
tăng còn Q

β
/Q
α
giảm, nhưng gần như ổn định
khi f đạt giá trị 250 đến 300 m
2
/m
3

- Khi H tăng α/β
*
.C
p
tăng và tỷ lệ Q
β
/Q
α
giảm, nhưng sự thay đổi
gần như không đáng kể khi H đạt giá trị 450 đến 750 mm.
4.5 CÁC PHƯƠNG TRÌNH TIÊU CHUẨN
Trên cơ sở số liệu thực nghiệm đã xác định được các hệ số thực
nghiệm cho các phương trình tiêu chuẩn, cụ thể:
4.5.2 Phương trình xác định hiệu quả làm mát của tháp
0,0170-0,0500-
n1
k
0,2533
n1
u1
0,0284

n1
k1
n1
n2
.(f.H))
G
G
.()
t
t
.()
t
t
0,999.(
t
t
=
(4.7)
So sánh giá trị t
n2
tính theo phương trình (4.7) và thực nghiệm ở
cùng chế độ được trình bày trên H 4.41. Sai lệch trung bình giữa 2
kết quả là: 2,10 %
4.5.3 Phương trình xác định tổ hợp hệ số đặc trưng của tháp

0,01750,1938
n1
k
0,7579
n1

u1
1,1469
n1
k1
p
*
.(f.H))
G
G
.()
t
t
.()
t
t
0,9416.(
.Cβ
α
−
=
(4.9)
18
Sai lệch trung bình của α/β
*
.C
p
tính theo phương trình (4.9) so với
thực nghiệm là 4,91%. Giá trị α/β
*
.C

p
trung bình nghiệm là 1,16.
25
28
31
34
37
40
25 28 31 34 37 40
t
n2TN
t
n2-4.7
t
n2-TN
= t
n2-4.7

Hình 4.19. So sánh giá trị t
n2
tính theo (4.7) và theo thực nghiệm
4.5.4 Phương trình xác định tổ hợp H.f
6,143-
n1
k
0,8829-
n1
n2
1,0603
n1

u1
0,4468
n1
k1
)
G
G
.()
t
t
.()
t
t
.()
t
t
51,149.(H.f =
(4.10)
Sai lệch trung bình giữa kết quả tính toán theo phương trình (4.10)
và kết quả thực nghiệm là: 7,12%
4.5.5 Phương trình xác định G
n2

5,2974
n1
k
0,0148
n1
u1
0,0057-

n1
k1
n1
n2
)
G
G
.()
t
t
.()
t
t
0,9954.(
G
G
=
(4.11)
Sai lệch trung bình giữa kết quả tính toán theo phương trình (4.11)
và kết quả thực nghiệm là: 0,15%



19
Chương 5
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TĐN - TĐC
5.1 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT
Đã xây dựng chương trình giải hệ phương trình vi phân TĐN -
TĐC trong TGN (2.40), (2.41). Kết quả tính toán xác định nhiệt độ
nước ra t

n2
với điều kiện đơn trị là đầu vào của các chế độ thực
nghiệm có sai lệch lớn nhất là: 4,65%, nhỏ nhất là 0,02% và trung
bình là: 1,4% (sai lệch tuyệt đối là < 0,5 K).
25
28
31
34
37
40
25 28 31 34 37 40
t
n2-TN
t
n2-LT
t
n2-TN
= t
n2-LT

Hình 5.1. So sánh kết quả tính t
n2
theo lý thuyết và thực nghiệm
5.2 MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN TGN
Từ lưu đồ thuật toán và ngôn ngữ lập trình đã chọn, đã xây dựng
chương trình mô phỏng và tính toán TGN, chương trình cho phép:
* Chọn các dữ liệu đầu vào: vị trí địa lý đặt tháp (điều kiện khí hậu),
yêu cầu giải nhiệt, đặc trưng của khối đệm
* Tính toán xác định quá trình TN - TC trong tháp
* Mô phỏng quá trình TN - TC trong tháp, cụ thể mô phỏng trạng

thái không khí trên đồ thị I-d, mô phỏng quá trình TN - TC theo ϕ
, H
20
* Xác định các giới hạn tối ưu trong vận hành và tính toán TGN
* Tính toán thiết kế TGN

Hình 5.3. Giao diện chính của chương trình

Hình 5.8. Biến thiên của t
n

ϕ
, Q, H theo độ ẩm không khí
21

Hình 5.9. Biến thiên của t
n
t
k
,
ϕ
, Q theo H

Hình 5.13. Kết quả biểu diễn dưới dạng hình hoạ


22
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

KẾT LUẬN

Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho phép rút ra một
số kết luận cơ bản sau:
1. Mô hình toán học xây dựng dựa trên cơ sở các quá trình TN -
TC cơ bản, có độ chính xác hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu kỹ
thuật. Sai lệch trung bình giữa kết quả tính theo lý thuyết và thực
nghiệm là ± 1,4%. (<0,5K). Đây là mô hình toán đáng tin cậy và hữu
ích trong việc nghiên cứu, tính toán TGN.
2. Nhiệt độ, độ ẩm không khí có ảnh hưởng rấ
t lớn đến hiệu quả
làm mát của TGN, trung bình với các TGN được thiết kế ở vùng ôn
đới, hàn đới khi chuyển sang làm việc ở vùng khí hậu nóng ẩm thì
công suất nhiệt chỉ đạt 40% công suất thiết kế (giảm 60%), nhiệt độ
nước sau khi làm mát tăng lên tối thiểu là 2
o
C so với giá trị t
n2
theo
thiết kế.
3. Khi tính toán, thiết kế TGN làm việc trong điều kiện khí hậu
nóng ẩm, diện tích bề mặt riêng khối đệm không cần thiết phải chọn
quá lớn, nên giới hạn ở mức 300m
2
/m
3
và chiều cao khối đệm cũng
nên giới hạn trong khoảng từ 450mm đến 750mm.
4. Trong các TGN, quá trình truyền nhiệt bằng truyền chất là chủ
yếu, trong điều kiện khí hậu nóng ẩm, lượng nhiệt truyền theo cơ chế

này chiếm từ 80% ÷ 95% tổng lượng nhiệt trao đổi và tổ hợp đặc
trưng riêng α/β
*
.C
p
có giá trị trung bình 1,16, cao hơn so với kết quả
nghiên cứu của Lewis (bằng 1) và của Bosnjakovic (<1).


23
5. Bốn phương trình tiêu chuẩn đã xây dựng có dạng:
- Phương trình xác định hiệu quả làm mát:

0,0170-0,050-
n1
k
0,2533
n1
u1
0,0284
n1
k1
n1
n2
.(f.H))
G
G
.()
t
t

.()
t
t
0,999.(
t
t
=

- Phương trình xác định tổ hợp đặc trưng TN - TC:

0,01750,1938
n1
k
0,7579
n1
u1
1,1469
n1
k1
p
*
.(f.H))
G
G
.()
t
t
.()
t
t

0,9416.(
.Cβ
α
−
=

- Phương trình xác định đặc trưng khối đệm H.f:

6,1435-
n1
k
0,8829-
n1
n2
1,0603
n1
u1
0,4468
n1
k1
)
G
G
.()
t
t
.()
t
t
.()

t
t
51,149.(H.f =

- Phương trình xác định lưu lượng nước sau làm mát:

5,2974
n1
k
0,0148
n1
u1
0,0057-
n1
k1
n1
n2
)
G
G
.()
t
t
.()
t
t
0,9954.(
G
G
=

Các phương trình này đã được kiểm chứng qua số liệu đo đạc thực
tế, cho phép xác định hiệu quả làm mát, bản chất của quá trình truyền
nhiệt - truyền chất, tính toán và mô phỏng TGN với độ chính xác cao.
Đây là những công cụ tin cậy, hữu ích trong việc nghiên cứu, tính
toán thiết kế và điều khiển, vận hành TGN.
6. Các phần mềm tính toán, thiết kế TGN được xây dựng dựa trên
kết quả nghiên cứu cho phép xác
định chính xác trạng thái các dòng
lưu chất trong TGN làm cơ sở cho việc phân tích xác định chế độ vận
hành tối ưu cũng như xác định các thông số cơ bản của TGN.

KIẾN NGHỊ NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU

Luận án đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tô tới
hiệu quả làm mát của TGN vừa và nhỏ có sử dụng khối đệm ứng
dụng cho các hệ thống lạnh và điều hoà không khí. Trong tương lai
khi các nhà máy nhiệt điện, điện nguyên tử được phát triển nhiều hơn
24
ở Việt Nam thì việc sử dụng các TGN đối lưu tự nhiên có kích thước
lớn và rất lớn không có khối đệm để giải nhiệt cho bình ngưng là tất
yếu. Vì vậy, hướng nghiên cứu mới, thiết thực là nghiên cứu ảnh
hưởng của khí hậu nóng ẩm tới hiệu quả làm mát TGN trao đổi nhiệt
đối lưu tự nhiên không sử dụng khối đệm ứng dụng cho các trung
tâm nhiệt điệ
n.