Đánh giá khả năng sử dụng kỹ thuật tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống trong điều hòa không khí trung tâm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.8 MB, 131 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜ G ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------
HUỲ H CHÂU HIỆP
ĐÁ H GIÁ KHẢ Ă G SỬ DỤ G KỸ THUẬT
TÍCH TRỮ LẠ H DẠ G BĂ G TA CHẢY
BÊ
GỒI Ố G TRO G ĐIỀU HỊA
KHƠ G KHÍ TRU G TÂM
Chun ngành : .CƠNG NGHỆ NHIỆT .
LUẬ VĂ THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2011 .
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học :.GS.TS.LÊ CHÍ HIỆP ................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 :.. TS.NGUYỄN VĂN TUYÊN ........................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 :.. TS.NGUYỄN VĂN CƯƠNG........................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . 29. . tháng . 12. . . năm . 2011. . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ….GS.TS.LÊ CHÍ HIỆP .....................
2….. PGS.TS.NGUYỄN THANH NAM
3. ….TS.HÀ ANH TÙNG ......................
4. ….TS.NGUYỄN VĂN TUYÊN .........
5. ….TS.NGUYỄN VĂN CƯƠNG ........
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TNCH HỘI ĐỒ G
ĐÁ H GIÁ LUẬ VĂ
BỘ MÔ QUẢ LÝ
CHUYÊ
GÀ H
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA …CƠ KHÍ….
----------------
CỘ G HỒ XÃ HỘI CHỦ GHIÃ VIỆT AM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .
HIỆM VỤ LUẬ VĂ THẠC SĨ
Họ và tên học viên: . . . . HUỲNH CHÂU HIỆP. . . . . . . …Phái: ……Nam………………..
Ngày, tháng, năm sinh: . . . 23/02/1984. . . . . . . .
Nơi sinh: . . . .Long An . . . . . .
Chuyên ngành: . . . Công Nghệ Nhiệt . . . . . . . .
MSHV: . .09060397 . . . . . . . . . . . . .
1- TÊ ĐỀ TÀI:
ĐÁ H GIÁ KHẢ
Ă G SỬ DỤ G KỸ THUẬT TÍCH TRỮ LẠ H
DẠ G BĂ G TA CHẢY BÊ
GỒI Ố G TRO G ĐIỀU HỊA KHƠ G KHÍ
TRU G TÂM .
2- HIỆM VỤ LUẬ VĂ :
a. Nghiên cứu chế tạo mơ hình thí nghiệm tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngồi ống
b. Tìm chế độ tạo băng và xả băng tối ưu trong bình trữ băng
c. Đánh giá khả năng ứng dụng và hiệu quả kinh tế của thiết bị tích trữ lạnh dạng băng tan
chảy bên ngoài ống
3- GÀY GIAO HIỆM VỤ : . . .14/2/2011 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4- GÀY HOÀ THÀ H HIỆM VỤ : . . . . .2/12/2011 . . . . . . . . . . . . . . . .
5- HỌ VÀ TÊ CÁ BỘ HƯỚ G DẪ (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . .GS.TS.LÊ CHÍ HIỆP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁ BỘ HƯỚ G DẪ
(Họ tên và chữ ký)
CHỦ HIỆM BỘ MÔ
QUẢ LÝ CHUYÊ
GÀ H
(Họ tên và chữ ký)
KHOA QL CHUYÊ
GÀ H
(Họ tên và chữ ký)
GVHD: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP
Luận văn thạc sĩ
MỤC LỤC ỘI DU G LUẬ VĂ
Trang
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠ G 1: MỞ ÐẦU ………………………………………………………1
1.1. Yêu cầu thực tiễn cần thiết của đề tài ………………………………….2
1.2. Giới hạn của đề tài …………………………………………………….4
1.3. Nội dung nghiên cứu ………………………………………… ..……..5
1.4. Phương pháp nghiên cứu……………………………………………….5
1.5
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ……………………..5
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍCH TRỮ BĂ G………………………………7
2.1. Lược khảo các ứng dụng, cơng trình nghiên cứu hệ thống tích trữ băng...8
2.1.1 Cơng trình nghiên cứu và ứng dụng trong nước.................................8
2.1.2 Các cơng trình nghiên cứu và ứng dụng nước ngồi........................10
2.2 Tổng quan về tích trữ băng ……………………………………………..12
2.2.1. Khái niệm và lợi ích của việc tích trữ băng ....................................12
2.2.2. Các ứng dụng của hệ thống tích trữ băng .......................................14
2.2.3. Tính chất nhiệt động của băng …………………………………....15
2.2.4. Q trình tạo và tan của băng …………………………………….16
2.2.5. Q trình đơng đá của nước …………………………………… 18
2.3 Sơ lược về cơng nghệ tích trữ băng …………………………………….19
2.3.1 Phân loại phương án tích trữ băng …………………………… ...19
2.3.1.1 Tích trữ băng tồn phần …………………………………19
HVTH: HUỲ H CHÂU HIỆP
GVHD: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP
Luận văn thạc sĩ
2.3.1.2 Tích trữ băng 1 phần kiểu san bằng tải…………….……..20
2.3.2 Phân loại phương pháp tích trữ băng bên ngồi ống …………….. .21
2.3.2.1 Làm lạnh trực tiếp bằng môi chất lạnh ………………….. .21
2.3.2.2 Làm lạnh gián tiếp bằng chất tải lạnh……………………. .23
2.3.3 Phân loại kiểu bố trí bình tích trữ băng ……………………………25
2.3.3.1 Bố trí bình song song ……………………………………...25
2.3.3.2 Bố trí bình nối tiếp ………………………………………...30
2.4 Các phương pháp điều chỉnh năng suất lạnh của FCU trong hệ thống điều
hịa khơng khí trung tâm sử dụng nước làm chất tải lạnh.......................................31
CHƯƠ G 3: TÍ H TỐ THIẾT KẾ MƠ HÌ H TÍCH TRỮ LẠ H DẠ G
BĂ G TA CHẢY BÊ
GỒI Ố G ……………………………………………...33
3.1 Phân tích, đánh giá, lựa chọn mơ hình thiết bị tích trữ băng……………...34
3.1.1 Phân tích phương án tích trữ băng ......................................................34
3.1.1.1 Phương án tích trữ băng tồn phần...........................................34
3.1.1.2 Phương án tích trữ băng 1 phần kiểu san bằng tải....................35
3.1.2 Phân tích phương pháp tích trữ băng ...................................................35
3.1.3 Một số cơng trình ứng dụng tích trữ băng ...........................................36
3.1.4 Đánh giá, lựa chọn mơ hình tích trữ băng ...........................................40
3.2 Các thơng số tính tốn ……………………………………………………..41
3.2.1 Năng suất lạnh cần tích trữ…………………………………………..41
3.2.2 Thời gian chạy hệ thống lạnh để tích trữ băng……………………….42
3.2.3 Năng suất lạnh của hệ thống lạnh …………………………………...44
3.3 Tính tốn thiết kế hệ thống lạnh có tích trữ băng …………………………44
3.3.1 Các thơng số ban đầu………………………...………………..44
HVTH: HUỲ H CHÂU HIỆP
GVHD: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP
Luận văn thạc sĩ
3.3.2 Lập chu trình ………………………………...……………….46
3.3.3 Tính chọn máy nén…………………………………………...50
3.3.4 Tính chọn thiết bị ngưng tụ ……………………………....….51
3.3.5 Tính chọn FCU……………………………………………….60
3.3.6 Chọn van tiết lưu……………………………………………...67
3.3.7 Tính bình chứa cao áp………………………………………...67
3.4 Tính tốn thiết kế bình tích trữ băng ……………………………………..68
3.4.1 Tính chọn dàn ống trữ băng ………………………………………...68
3.4.2. Tính chọn kích thước bình trữ băng ………………………………...68
3.4.3 Tính chọn cách nhiệt bình trữ băng.. ……………………………….70
3.5 Thiết kế mạch điện điều khiển ……………………………………….....72
CHƯƠ G 4: GHIÊ CỨU THỰC GHIỆM TÍCH TRỮ BĂ G TRÊ MƠ HÌ H
TÍCH TRỮ LẠ H DẠ G BĂ G TA CHẢY BÊ
GOÀI Ố G ……………….73
4.1 Thiết kế mơ hình hệ thống tích trữ băng ...................................................74
4.1.1 Mục đích thiết kế mơ hình tích trữ băng ...........................................74
4.1.2 Thiết kế sơ đồ vận hành hệ thống tích trữ băng.................................74
4.2 Bố trí thiết bị cho mơ hình thực nghiệm ....................................................77
4.3 Bàn luận, phân tích và đánh giá các kết quả đạt được................................80
4.3.1 Phân tích và đánh giá số liệu trong quá trình tạo nạp tải...................84
4.3.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo băng........................84
4.3.1.2 Sự tiêu thụ năng lượng trong quá trình nạp tải.......................88
4.3.1.3 Bàn luận chế độ tối ưu trong quá trình nạp tải.......................90
HVTH: HUỲ H CHÂU HIỆP
GVHD: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP
Luận văn thạc sĩ
4.3.2 Phân tích và đánh giá số liệu trong quá trình xả tải ..........................92
4.3.2.1 Sự biến đổi nhiệt độ khi xả tải………………………………92
4.3.2.2 Sự tiêu thụ năng lượng trong quá trình xả tải.........................96
4.3.2.3 Bàn luận chế độ tối ưu trong quá trình xả tải.........................96
CHƯƠ G 5: ĐÁ H GIÁ HIỆU QUẢ KI H TẾ KHI SỬ DỤ G HỆ THỐ G TÍCH
TRỮ BĂ G………………………………………………………………………………98
5.1 Phân tích hiệu quả kinh tế ………………………………………………...99
5.1.1 Xác định chi phí với hệ thống khơng sử dụng bình trữ băng …….....100
5.1.2 Xác định chi phí với hệ thống có sử dụng bình trữ băng, phương án tích
trữ tồn phần……………………………………………………………………...103
5.2 Nhận xét .....................................................................................................107
CHƯƠ G 6: KẾT LUẬ VÀ KIẾ
GHN ……………………………………...… 108
6.1. Kết luận……………………………………………………… ……..…..109
6.2. Kiến nghị ………………………………………………………………..111
PHỤ LỤC
TÀI LIỆU THAM KHẢO
HVTH: HUỲ H CHÂU HIỆP
GVHD: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP
Luận văn thạc sĩ
TĨM TẮT LUẬ VĂ
Như ta đã biết nguồn tài nguyên thiên nhiên sản suất ra điện ngày càng cạn kiệt. Ơ
nhiễm mơi trường gây hiệu ứng nhà kính làm biến đổi khí hậu ngày càng rõ rệt,
bằng chứng là ta thấy mức độ tàn phá của thiên tai như hạn hán, lũ lụt,….đang ngày
càng dữ dội hơn. Các hội nghị trong nước và quốc tế bàn về ảnh hưởng của biến đổi
khí hậu ngày càng được quan tâm nhiều hơn.Trong quá trình biến đổi khí hậu thì
Việt Nam là 1 trong những nước ước tính chịu ảnh hưởng của thiên tai nặng nề
nhất. Vì vậy trong phạm vi cá nhân thì mỗi chúng ta phải hành động để góp phần
giảm bớt ơ nhiễm môi trường bằng ý thức nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng : sử
dụng tiết kiệm điện, tắt bớt thiết bị không thật cần thiết trong giờ cao điểm,….Từ
quan điểm trên, trong luận văn này tác giả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để
đánh giá khả ứng dụng tích trữ lạnh lạnh dạng băng tan chảy bên ngồi ống, làm
lạnh trực tiếp bằng môi chất lạnh với mong muốn làm cơ sở cho việc chế tạo và ứng
dụng rộng rãi tại Việt Nam góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng của các
trung tâm mua sắm, siêu thị, nhà hàng, khách sạn,…..
HVTH: HUỲ H CHÂU HIỆP
GVHD: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP
Luận văn thạc sĩ
LỜI CẢM Ơ
Tác giả xin chân thành cảm ơn các tập thể, cá nhân đã giúp đỡ để
hoàn thành quyển luận văn này :
- Thầy GS.TS.Lê Chí Hiệp đã tận tình hướng dẫn và các thầy cơ trong
bộ mơn rất nhiệt tình giảng dạy cho tác giả trong thời gian qua.
- Ban giám hiệu, các bạn đồng nghiệp trường Cao đẳng Kinh tế -Kỹ
thuật Phú Lâm.
Và các bạn học viên lớp Cao học Nhiệt 2009 đã nhiệt tình trao đổi,
góp ý và cung cấp thông tin tư liệu liên quan đến luận văn
HVTH: HUỲ H CHÂU HIỆP
GVHD: GS.TS.Lê Chí Hiệp
-1-
CHƯƠ G 1:
MỞ ĐẦU
HVTH : Huỳnh Châu Hiệp
Luận văn thạc sĩ
GVHD: GS.TS.Lê Chí Hiệp
-2-
Luận văn thạc sĩ
1.1 Yêu cầu thực tiễn cần thiết của đề tài
- Từ khi nước ta bước vào thời kỳ mở cửa, nền kinh tế phát triển rất nhanh kéo
theo sự gia tăng nhu cầu về tiện nghi phục vụ cuộc sống, công việc và trong đó rõ
ràng nhất là vai trị khơng thể thay thế của các hệ thống điều hịa khơng khí. Hầu hết
các tòa nhà văn phòng, khách sạn, siêu thị, nhà hàng… điều sử dụng hệ thống điều
hịa khơng khí.
Hình 1.1: Siêu thị Metro
Tuy nhiên, các hệ thống điều hịa khơng khí là các hệ thống năng lượng có
hiệu quả sử dụng rất thấp, trong một ngày hệ thống làm việc với công suất tối đa chỉ
vài giờ mà những giờ này lại rơi vào những giờ cao điểm với giá thành sử dụng điện
rất cao.
HVTH : Huỳnh Châu Hiệp
GVHD: GS.TS.Lê Chí Hiệp
-3-
Luận văn thạc sĩ
Hình 1.2: Biểu đồ phân bố phụ tải
Trong khi phần thời gian còn lại, hệ thống chỉ hoạt động một phần công suất
tối đa do nhu cầu phụ tải lạnh thấp.
- Trước vấn đề này, từ lâu các nước trên thế giới đã khắc phục bằng cách sử
dụng cơng nghệ tích trữ lạnh vào các hệ thống điều hịa khơng khí.
HVTH : Huỳnh Châu Hiệp
GVHD: GS.TS.Lê Chí Hiệp
-4-
Luận văn thạc sĩ
Hình 1.3: Bể tích băng
Mặc dù đã được các nước trên thế giới sử dụng rộng rãi nhưng tại Việt Nam
hầu như chưa xuất hiện nhiều, nguyên nhân chính là do giá thành của thiết bị tích
trữ lạnh nhập khNu cịn rất cao khiến cho các nhà đầu tư e ngại.
- Từ những lý do khách quan nói trên, việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng
thiết bị tích trữ lạnh vào các hệ thống điều hịa khơng khí tại Việt Nam là rất quan
trọng và cấp thiết . Các hệ thống tích trữ lạnh sẽ giúp việc sử dụng năng lượng hiệu
quả hơn, giảm chi phí điện năng, giảm được áp lực đáng kể cho lưới điện quốc gia.
1.2 Giới hạn của đề tài
- Với những lý do trên mà em thực hiện đề tài thiết kế, mô phỏng hệ thống điều
HVTH : Huỳnh Châu Hiệp
GVHD: GS.TS.Lê Chí Hiệp
-5-
Luận văn thạc sĩ
hịa khơng khí trung tâm có sử dụng tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống
.Trong đề tài này em nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để đánh giá khả ứng
dụng tích trữ lạnh lạnh dạng băng tan chảy bên ngồi ống. Sau đó đánh giá hiệu quả
kinh tế- kỹ thuật, tính tốn, chọn lựa kích thước bình tích trữ băng. Ngồi ra, em
cịn tìm hiểu phương án tự động hóa hệ thống tích trữ lạnh cũng như trong hệ thống
điều hịa khơng khí trung tâm .
1.3
ội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu chế tạo mơ hình thí nghiệm tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên
ngồi ống.
- Tìm chế độ tạo băng và xả băng tối ưu trong bình trữ băng .
- Đánh giá khả năng ứng dụng và hiệu quả kinh tế của thiết bị tích trữ lạnh dạng
băng tan chảy bên ngồi ống.
1.4 Phương pháp nghiên cứu:
- Tính tốn kinh tế- kỹ thuật của phương pháp tích trữ lạnh dạng băng tan chảy
bên ngoài ống đối với thiết bị tích trữ được chế tạo trong nước.
- Lựa chọn sơ đồ điều hịa khơng khí sử dụng cho hệ thống tích trữ băng .
- Thực nghiệm và đánh giá khả năng hoạt động của mơ hình hệ thống tích trữ
băng được chế tạo .
1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
- Do sử dụng phương pháp tích trữ lạnh nên giảm được chi phí đầu tư cho hệ
thống điều hịa khơng khí , nhưng vẫn đảm bảo được năng suất lạnh yêu cầu.
- Do sử dụng tích trữ lạnh nên năng lượng được sử dụng tối ưu hơn , gián tiếp
tiết kiệm năng lượng nhằm bảo vệ môi trường.
- Xây dựng phương pháp thiết kế bình tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên
ngồi ống . Từ đó làm cơ sở để chế tạo bình tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên
ngồi ống với giá thành rẻ hơn so với hệ thống ngoại nhập nhằm “nội địa hóa” sản
HVTH : Huỳnh Châu Hiệp
GVHD: GS.TS.Lê Chí Hiệp
-6-
Luận văn thạc sĩ
phNm bình tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống và mở rộng khả năng ứng
dụng phương pháp tích trữ lạnh tại Việt Nam .
- Mơ hình cịn dùng làm cơng cụ để nghiên cứu, giảng dạy về kỹ thuật tích trữ
lạnh.
HVTH : Huỳnh Châu Hiệp
GVHD: GS.TS.Lê Chí Hiệp
-7-
Luận văn thạc sĩ
CHƯƠ G 2 :
TỔ G QUA VỀ
HỆ THỐ G TÍCH
TRỮ BĂ G
HVTH : Huỳnh Châu Hiệp
GVHD: GS.TS.Lê Chí Hiệp
-8-
Luận văn thạc sĩ
2.1. Lược khảo các ứng dụng, cơng trình nghiên cứu hệ thống tích trữ băng
2.1.1 Cơng trình nghiên cứu và ứng dụng trong nước
- Hiện nay vấn đề tích trữ băng ít được nghiên cứu và sử dụng ở trong nước
do giá thành đầu tư ban đầu cao, thiết bị bình tích trữ phải nhập khNu từ nước ngoài
. Một số bài báo khoa học nghiên cứu việc tích trữ băng như :
a. “ ghiên cứu khả năng dùng cơng nghệ tích trữ lạnh dạng băng tan
chảy ngoài ống trong các hệ thống điều hịa khơng khí trung tâm ”– TS.
Nguyễn Thế Bảo, Th.S Trương Hồng Anh - TẠP CHÍ PHÁT TRIỂ KH&C , TẬP
10, SỐ 02 - 2007.
ội dung: Xây dựng mơ hình để nghiên cứu, thiết lập các thông số của hệ
thống tích trữ lạnh băng tan chảy ngồi ống.
Hình 2.1: Sơ đồ ngun lý mơ hình thí nghệm
Glycol sau khi ra khỏi chiller được tách làm hai nhánh, một nhánh đi vào bồn
tích trữ lạnh để tạo băng và nhánh cịn lại đi đến cấp lạnh trực tiếp cho phụ tải. Để
sử dụng cho các hệ thống điều hịa khơng khí bình thường ta phải dùng thêm thiết bị
trao đổi nhiệt glycol-nước do nhiệt độ glycol thấp.
- Ở chế độ nạp tải ( sản xuất băng) : Glycol được chiller làm lạnh xuống
nhiệt độ khoảng -7oC, lúc này glycol chỉ đi vào dàn lạnh của bồn tích trữ, băng bắt
đầu hình thành trên bề mặt ống và dày dần lên.
HVTH : Huỳnh Châu Hiệp
GVHD: GS.TS.Lê Chí Hiệp
-9-
Luận văn thạc sĩ
- Ở chế độ xả tải ( làm tan băng) : Nước ấm hồi về từ các hộ tiêu thụ sẽ được làm
lạnh tùy thuộc vào phương thức vận hành, nước ra khỏi bồn tích trữ có nhiệt độ
khoảng 1÷5 oC được đưa đến cấp lạnh cho các hộ tiêu thụ.
Hình 2.2: Mơ hình thí nghiệm
Hình 2.3: Bề dày lớp băng trên bề mặt ống theo thời gian
đo từ thực nghiệm
HVTH : Huỳnh Châu Hiệp
GVHD: GS.TS.Lê Chí Hiệp
-10-
Luận văn thạc sĩ
Hình 2.4: Bề dày lớp băng trên bề mặt ống theo thời gian
được mô phỏng trên máy tính.
b. “ ghiên cứu dùng tích trữ lạnh cho hệ thống điều hịa khơng khí
Water Chiller ”– Ths. Huỳnh Ngọc Hùng – Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh
viên ghiên cứu Khoa học”lần thứ 6 Đại học Đà ẵng - 2008.
ội dung: Nghiên cứu cơng nghệ tích trữ lạnh cho hệ thống Water Chiller và
áp dụng mô hình này cho nhà máy Mabuchi Motor.So sánh hiệu quả kinh tế.
Ngồi ra trong nước có một số cơng trình đang sử dụng hệ thống tích trữ
lạnh tuy chưa nhiều như : nhà máy dược OPV tại Đồng Nai, siêu thị Big C Hải
Phòng, siêu thị Big C Thăng Long, nhà máy Coca Cola, trung tâm VTV…Tại siêu
thị Big C Thăng Long, hệ thống tích trữ lạnh được lắp vào năm 2010 với tổng năng
suất lạnh tích trữ là 16554 kWh. Hệ thống tích trữ lạnh được lắp tại nhà máy Coca
Cola có cơng suất 4836 kWh.
2.1.2 Các cơng trình nghiên cứu và ứng dụng nước ngồi
- Cơng nghệ tích trữ lạnh trên thế giới được quan tâm đến từ rất sớm, ở Mỹ
nó được phát triển từ những năm 1930, tuy nhiên công nghệ này được sử dụng rộng
rãi từ những năm 1970-1980. Cơng nghệ tích trữ lạnh thường được sử dụng cấp
lạnh cho văn phòng, khách sạn, siêu thị, bệnh viên, trường học, nhà máy chế biến
thực phNm…Theo Potter (1994) trong các hệ thống tích trữ lạnh được sử dụng thì
có 80% đến 85% hệ thống tích trữ lạnh băng, 10% đến 15% tích trữ lạnh nước lạnh
và khoảng 5% tích trữ muối eutectic.
HVTH : Huỳnh Châu Hiệp
GVHD: GS.TS.Lê Chí Hiệp
-11-
Luận văn thạc sĩ
- Tại Mỹ từ những năm 1990 đã có từ 1500 đến 2000 cơng trình tích trữ lạnh
được sử dụng phổ biến. Theo Baltimore Aircoil Company, một trong những nhà sản
xuất thiết bị tích trữ lạnh hàng đầu trên thế giới, thì đến năm 1996 họ đã cung cấp
cho khoảng 500 cơng trình tích trữ lạnh tại Mỹ và 40 cơng trình tích trữ lạnh tại
Canada.
- Tại Nhật : Năm 1990 có 1474 cơng trình điều hịa khơng khí có sử dụng
tích trữ lạnh.Năm 1993 có 2335 cơng trình và năm 1998 có 5566 cơng trình điều
hịa khơng khí có sử dụng tích trữ lạnh.
Một số đề tài nghiên cứu về tích trữ băng ở nước ngoài như :
a〉〉 Ice formation around a horizontal tube in a rectangular vessel
Ahmet FERTELLİ , Orhan BÜYÜKALACA and Alper YILMAZ
Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 29, 2, 75-87, 2009
J. of Thermal Science and Technology
©2009 TIBTD Printed in Turkey
ISSN 1300-3615
ội dung : Xét quá trình biến đổi pha của nước trên bề mặt ống nằm ngang.
b〉〉 Ice-on-coil thermal storage apparatus and method
Bradley, Jr.; Wilson E. (Ellicott City, MD)
Merrill; Richard P. (Columbia, MD)
Shriver; George R. (Sykesville, MD)
ội dung : Xét quá trình đóng băng nước trên bề mặt ống đặt nằm ngang,
trên bề mặt ống đặt thẳng đứng và khoảng cách giữa các ống
c) Applicaion fundamentals of ice-based thermal storage
By Brian Silvetti, P.E, Member ASHRAE
ội dung : Ứng dụng cơ sở của việc tạo băng trong hệ thống tích trữ lạnh
d 〉 Optimal control of harvesting ice thermal storage systems
DAVID E. KNEBEL, P.E.
Vice President
Turbo Refrigerating Company
HVTH : Huỳnh Châu Hiệp
GVHD: GS.TS.Lê Chí Hiệp
-12-
Luận văn thạc sĩ
Denton, Texas
ội dung : Điều khiển tối ưu cho hệ thống tích trữ băng .
e 〉 Technical guidelines of an ice rink
1. Vaahterus T., Saari A. Environmental Loads of a Finnish indoor training
ice-skating rink in the Context of LCA. Helsinki University of Technology,
Publications 194, Espoo 2001. ISBN 951-22-5465-4, ISSN 1456-9329. (In Finnish).
2. Kiekko-Nikkarit Ry.
ội dung : Sổ tay kỹ thuật cho bình tích trữ băng trong hệ thống tích trữ
lạnh .
f〉〉 THE ICE BEAR Thermal Storage for Rooftop Air Conditioners
Bradley Davids
Vice President, Marketing & Member Services
E SOURCE, INC.
1033 Walnut Street
Boulder, Colorado 80302-5114 USA
ội dung : Thiết kế bình tích trữ băng của hệ thống tích trữ lạnh .
Ngồi ra hiện nay, có rất nhiều cơng ty sản xuất hệ thống tích trữ lạnh như:
Crisophia (Pháp), Calmac, Fafco, Dunham-bush, MaximICE… của Mỹ. Các sản
phNm của các hãng nổi tiếng của Trung quốc như Yuanpai, Wangpai, Tongfang…
2.2 Tổng quan về tích trữ băng
2.2.1. Khái niệm và lợi ích của việc tích trữ băng
Tích trữ băng là phương pháp được sử dụng để dời năng lượng vận hành hệ
thống lạnh lúc phụ tải đỉnh sang lúc có phụ tải thấp hơn nhằm san bằng các phụ
tải điện sử dụng trong ngày. Việc tích trữ sử dụng chất tích trữ là nước để thực hiện.
Trong thời gian vận hành khi có phụ tải lạnh thấp mà hệ thống lạnh vẫn hoạt động
sẽ làm cho hiệu quả sử dụng năng lượng giảm đi. Do đó cần phải có hệ thống tích
trữ băng. Ngồi ra, ta có thể đạt được các lợi ích sau:
HVTH : Huỳnh Châu Hiệp
GVHD: GS.TS.Lê Chí Hiệp
-13-
Luận văn thạc sĩ
Hình 2.5: Biểu đồ phân bố phụ tải điện của tòa nhà
+ Đối với chủ đầu tư:
- Giảm chi phí làm lạnh đến 40% bằng cách chuyển nhu cầu làm lạnh của
tòa nhà sang giờ thấp điểm.
- Với chế độ trữ băng một phần, người thiết kế có thể giảm kích thước hệ
thống lạnh xuống khoảng 50 đến 60% , có nghĩa là giảm chi phí lắp đặt.
- Giảm kích thước và chi phí của những thiết bị xử lý khơng khí, động cơ,
đường ống và bơm đến 30%
-
Bình trữ băng có thể được lắp vào hệ thống lạnh có sẵn vừa làm tăng
cơng suất lạnh, vừa giảm chi phí làm lạnh.
+ Đối với nhà cung cấp năng lượng:
- Bình trữ băng giảm nhu cầu sử dụng điện vào giờ cao điểm và do đó làm
tăng cả hiệu suất sản xuất điện cho nhà máy điện.
- Trong nhiều nghiên cứu cho thấy, rằng điện năng được truyền tải tốt hơn
vào giờ thấp điểm. Mỗi kiloWatt-giờ điện sử dụng chuyển từ cao điểm sang thấp
điểm sẽ làm giảm lượng nhiên liệu để sản xuất nó ( khoảng 8 ÷ 30 % ), song song
với nó là việc giảm được khí thải gây hiệu ứng nhà kính của nhà máy điện.
- Giảm tải đỉnh cho nhà cung cấp điện
HVTH : Huỳnh Châu Hiệp
GVHD: GS.TS.Lê Chí Hiệp
-14-
Luận văn thạc sĩ
+ Đối với mơi trường và xã hội:
- Bình trữ băng làm cho việc tích trữ năng lượng của những nguồn năng
lượng mới (năng lượng mặt trời, năng lượng gió) khả thi hơn.
- Giảm khí thải và việc sử dụng những nhà máy điện gây ơ nhiễm (vì
giảm được phụ tải đỉnh).
-
Giảm được nhu cầu xây thêm nhà máy điện.
-
Có nhiều dạng tích trữ lạnh nhưng tích trữ băng tiện lợi hơn vì ngồi
việc giảm nhu cầu năng lượng vào giờ cao điểm của hệ thống lạnh thì nó cịn dự trữ
cùng một dạng năng lượng cho nhu cầu làm lạnh.
-
Sử dụng bình trữ băng giảm đựơc kích thước hệ thống lạnh, do đó
lượng mơi chất lạnh giảm xuống và giảm được rị rỉ mơi chất lạnh ra ngồi mơi
trường.
-
Bình trữ băng giảm việc tiêu thụ năng lượng 8 ÷34 %, có nghĩa là nhà
máy điện sẽ giảm bớt lượng khí thải ra mơi trường.
2.2.2. Các ứng dụng của hệ thống tích trữ băng
Việc ứng dụng tích trữ lạnh nói chung và tích trữ băng nói riêng rất phổ biến
trong cơng nghiệp và trong đời sống như:
- Hệ thống điều hịa khơng khí như : các văn phòng, siêu thị, khách sạn, sân
bay, viện bảo tàng…
- Trong công nghiệp chế biến thực phNm việc tích trữ băng cũng được sử
dụng nhiều như các nhà máy chế biến thủy sản, nhà máy sữa…..Trong các nhà máy
sữa, ngoài các kho lạnh dùng để bảo quản sản phNm với thời gian dài, do tính chất
nhập hàng khơng đồng đều nên nhu cầu lạnh thất thường theo mẻ. Trong công nghệ
chế biến sữa, khi bắt đầu nhập hàng vào nhà máy hoặc sữa pha trước khi chế biến,
đóng hộp… thì thường được làm lạnh đến nhiệt độ 2÷40C. Do tính chất thất thường
và lượng sữa rất lớn nên người ta thường dùng hệ thống tích trữ băng.
Ví dụ : Một nhà máy cần nhập sữa từ trang trại với thời gian nhập hàng
khoảng 1 giờ và năng suất lạnh cần dùng trong 1giờ đó là 120 kW. Nếu đầu tư 1 hệ
thống lạnh cỡ lớn để vận hành trong 1giờ hay chạy trong thời gian ở phụ tải lạnh
HVTH : Huỳnh Châu Hiệp
-15-
GVHD: GS.TS.Lê Chí Hiệp
Luận văn thạc sĩ
cực đại ( giả sử nhập hàng vào buổi trưa ) thì sẽ tốn kém và khơng hiệu quả. Do đó,
người ta có thể sử dụng 1 máy có năng suất lạnh 10 kW vận hành vào ban đêm suốt
12 giờ thì sẽ tiết kiệm được tiền do sự chênh lệch giá điện. Ngoài ra, đối với các
ngành công nghiệp chế biến thủy sản, chế biến thực phNm… đều có thể áp dụng
được
2.2.3. Tính chất nhiệt động của băng
Nước trong tự nhiên luôn tồn tại ở ba thể lỏng – rắn – hơi (khí), khi hạ nhiệt
độ của nước xuống 00C ở điều kiện áp suất khí quyển 0,98 bar thì nước bắt đầu
đóng băng, quá trình kết tinh của nước chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn
theo đường F’-D’-E’.
P
( mmHg )
Lỏng
A
E’
4,58
Rắn
K
F’
D’
O
Khí
B
0,0098
t ( oC )
Hình 2.6: Giản đồ P-t của nước
Nước có ký hiệu hóa học là H2O, ba nguyên tử H và O nằm trên 3 đỉnh của
một tam giác cân, gốc là đỉnh O tạo với hai cạnh thành một góc 104028’, khoảng
cách giữa 2 hạt nhân của nguyên tử O và H là 0,96A0. Trong tự nhiên nước tồn tại ở
ba đồng vị H2O16 ( còn gọi là nước nhẹ ), H2O17 và H2O18 ( còn gọi là nước nặng).
Khi nước chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn thì nhiệt dung riêng
của nó giảm đi gần một nửa so với nước ở trạng thái lỏng Cpđá = 2,1 kJ/kg.K Thể
HVTH : Huỳnh Châu Hiệp
-16-
GVHD: GS.TS.Lê Chí Hiệp
Luận văn thạc sĩ
tích nước đá sẽ tăng 9% so với nước ở trạng thái lỏng, khối lượng riêng nước đá
khoảng 917 kg/m3. Khối lượng riêng của nước đá có quan hệ với nhiệt độ như sau:
ρnđ = 917.( 1-0,000155.t )
(2.1)
Hệ số dẫn nhiệt của nước đá ( W/m.K ) có thể tính theo cơng thức thực nghiệm như
sau:
λnđ = 2,326.( 1-0,00156.t )
(2.2)
Nhiệt dung riêng của nước đá ở 00C là Cpđá = 2,1 kJ/kg.K. Khi nhiệt độ giảm thì
nhiệt dung riêng của nước đá cũng giảm theo. Nhiệt dung riêng của nước đá được
xác định theo công thức thực nghiệm sau:
Cpđá = 2,09 + 0,00779.t
(2.3)
Để cân bằng hệ hai pha lỏng – rắn ( nước – đá ) của nước, có thể dùng phương
trình Clapperol – Claursius như sau:
∂P
∂T
=
L
T .(υ1 − υ đ )
(2.4)
Trong đó:
L : là nhiệt Nn hóa rắn của nước, kJ/kg
v1,vđ : là thể tích riêng của pha lỏng và rắn, m3/kg
P : áp suất của môi trường pha lỏng – rắn, Pa
T : nhiệt độ nóng chảy của nước, K
Do v1 < vd nên cP/cT <0, nghĩa là khi tăng áp suất thì nhiệt độ nóng chảy giảm
xuống.
Khi kết tinh, các tinh thể đá hình thành có cấu tạo là hình tứ diện đều, các phân tử
nước liên kết với nhau bằng liên kết Hydro, trong đó mỗi nguyên tử O sẽ liên kết
với 4 nguyên tử H và mỗi nguyên tử H liên kết với 2 nguyên tử O. Chúng có nhiều
lỗ hổng, do đó nước ở thể rắn nhẹ hơn nước ở thể lỏng
2.2.4. Quá trình tạo và tan băng
Quá trình tạo băng thường trải qua 3 giai đoạn chính :
HVTH : Huỳnh Châu Hiệp
