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 (
0
C )
Nhiệt độ xả
tải (
0
C )
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 t

nl
. PCM ( t
nv
,
,,
PP

L
P
,
C
P
) bọc ngoài ống hình trụ ( R
1
/R
2
). 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
RR
dR
R
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 t
0
= t

nv
.
- 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 t
nv
đến nhiệt độ t
cp
mất thời gian
1


Phương trình cân bằng nhiệt cho thể tích V
P
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







1
2
1
2
2
1
2
.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

:

=R
2

– R
1

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
0
11
.
)ln
11
(



d
L
tt
RdR

R
R
R
PP
ttcp
R
R
Pdd


2
2
1
2
2
1
2
2
2
1
2
1
2
2
.
)(
)(
4
1
ln

2
1
.2


PP
ttcp
PPdd
L
tt
RR
R
R
R
R
RR



( 2 )
Từ ( 1 ) và ( 2 ) ta có thời gian đông đặc hoàn toàn khối PCM thể tích V
P
là:

)](
.4
1
ln
.2
1

..2
[
.
ln
..2
)(
2
1
2
2
1
2
2
2
1
2
1
2
2
1
2
1
2
2
RR
R
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 2422201816
14
121086
4
2



Tổng công suất lạnh của bình tích trữ cần chế tạo là :

Q
0
= 1800 ton-giờ = 6330,6 kWh.
2. Tính thiết kế bình trữ lạnh với năng suất trữ lạnh Q
0
= 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 t
nv
13
0
C
Nhiệt độ tích trữ t
tt
4
0
C
Nhiệt độ xả tải t
xt
8
0
C
Nhiệt độ chuyển pha của PCM E7 t
cp
7

0
C
Khối lượng riêng của PCM E7
P


1542 kg/m
3

Nhiệt ẩn hoá rắn của PCM E7 L
P
120 kJ/kg
Nhiệt dung riêng của PCM E7 C
P
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 R
2
= 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 m
2
Chiều dài bình L 11 m
Chiều dày vỏ
v


5 m
Thể tích PCM V
PCM
120 m
3
Khối lượng PCM G
PCM
185,04 tấn
Chiều dài một mét ống



10 m
Đường kính ngoài ống d
2
27 mm
Đường kính trong ống d
1
25 mm
Khoảng cách giữa 2 tâm ống d=2R
2
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
108
R=25
10.000

11.000
3.500

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 CO
2
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