Nghiên cứu tận dụng nhiệt thải từ động cơ đốt trong, để cung cấp nhiệt cho khu nghỉ mát hòn tre khánh hòa

CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN TUYÊN

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày

1

tháng

năm


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Tp HCM, ngày 06 tháng 02 năm 2006
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên : NGUYỄN HỮU NGHĨA
Phái : Nam
Ngày, tháng, năm sinh : 14 / 6 / 1979

Nơi sinh : Bến Tre
Chuyên ngành : Công nghệ nhiệt
MSHV: 00604148
I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu tận dụng nhiệt thải từ động cơ đốt trong để cấp
nhiệt cho khu nghỉ mát Hòn Tre - Khánh Hoà.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :
Trên cơ sở các động cơ đốt trong hiện có và qui mô hoạt động du lịch trên
đảo Hòn Tre, nghiên cứu khả năng thu hồi nhiệt thải từ động cơ đốt trong để đáp
ứng nhu cầu về cung cấp nước nóng, hơi bão hoà hoặc chạy máy lạnh hấp thụ để
điều hoà không khí. Viết chương trình tính thiết kế thiết bị thu hồi nhiệt cho các
phương án. Phân tích hiệu quả kinh tế của từng phương án thu hồi nhiệt.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :
06 / 02/ 2006
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :
06/10/2006
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :
TS. NGUYỄN VĂN TUYÊN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

CN BỘ MÔN
QLCHUYÊN NGÀNH

TS.NGUYỄN VĂN TUYÊN PGS TS. LÊ CHÍ HIỆP PGS TS. LÊ CHÍ HIỆP
Nội dung và đề cương luận văn thạc só được hội đồng chuyên ngành thông qua.
Ngày tháng năm 2006
TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

TRƯỞNG PHÒNG ĐT - SĐH

2


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc Thầy TS. NGUYỄN VĂN TUYÊN
đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn, truyền đạt những kinh nghiệm quý báu để tác
giả hoàn thành luận văn này.
Xin cảm ơn Thầy PGS.TS. LÊ CHÍ HIỆP và các thầy cô ở bộ môn Công
nghệ nhiệt đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập tại
Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM.
Xin cảm ơn Ban Giám đốc và các anh em Bộ phận Kỹ Thuật khu nghỉ mát
đảo Hòn Tre đã tạo điều kiện, giúp đỡ cho tác giả trong thời gian nghiên cứu
khảo sát hệ thống máy móc thiết bị tại khu nghỉ mát.

3


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn nghiên cứu tận dụng nhiệt thải từ động cơ đốt trong tại cơ sở
dịch vụ du lịch đó là Khu nghỉ mát Hòn Tre - Nha Trang, để đáp ứng các nhu cầu
nhiệt tại khu nghỉ mát. Luận văn gồm có các phần chính sau:
- Khảo sát nguồn nhiệt thải từ động cơ đốt trong đang sử dụng tại khu nghỉ
mát và các hệ thống cung cấp nhiệt (nước nóng, hơi nước bão hoà và điều hoà
không khí) và nhu cầu nhiệt tại khu nghỉ mát Hòn Tre.
- Nghiên cứu tận dụng nhiệt thải từ động cơ đốt trong để sản xuất nước
nóng, đáp ứng nhu cầu về nước nóng, giảm lượng hơi nước để gia nhiệt nước
nóng.

- Nghiên cứu tận dụng nhiệt thải từ động cơ đốt trong để sản xuất hơi nước
bão hoà, đáp ứng nhu cầu cung cấp nước nóng và các nhu cầu về giặt ủi, giảm
chi phí về nhiên liệu cho lò hơi.
- Nghiên cứu khả năng tận dụng nhiệt thải chạy máy lạnh hấp thụ để điều
hoà không khí, giảm lượng điện tiêu thụ cho điều hoà không khí.
- Đánh giá hiệu quả của các phương án thu hồi nhiệt.
- Kết luận và đề xuất ý kiến.

4


MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN

1

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

4

MỤC LỤC

5

CÁC KÝ HIỆU CHÍNH

8

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

10

CHƯƠNG I. MỞ ĐẦU
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ

11

1.2. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN

13

CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ THU HỒI NHIỆT THẢI TỪ
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.1. KHÁI QUÁT VỀ NHIỆT THẢI

14

2.1.1. KHÁI QUÁT CHUNG

14

2.1.2.CÁC NGUỒN NHIỆT THẢI

15

2.1.3. THIẾT BỊ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI

16

2.2. KHẢ NĂNG THU HỒI NHIỆT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIỆT THẢI TỪ
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG HIỆN NAY

18

2.3.1. TRÊN THẾ GIỚI

18

2.3.2. Ở VIỆT NAM

20

CHƯƠNG III. PHƯƠNG ÁN TẬN DỤNG NHIỆT THẢI TỪ ĐỘNG
CƠ ĐỐT TRONG Ở KHU NGHỈ MÁT HÒN TRE.
3.1. ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG SỬ DỤNG TẠI HÒN TRE

22

3.1.1. Thông số kỹ thuật

22

3.1.2. Nguồn nhiên liệu sử dụng

22

5

3.1.3. Nhiên liệu tiêu thụ và nhiệt độ khói thải theo tải
3.2. NHU CẦU SỬ DỤNG NHIỆT TẠI KHU NGHỈ MÁT

23
23

3.2.1. Nhu cầu về nước nóng.

23

3.2.2. Nhu cầu hơi bão hoà

26

3.2.2. Nhu cầu điều hoà không khí

27

3.3. CÁC PHƯƠNG ÁN ĐỀ NGHỊ

28

CHƯƠNG IV. TÍNH TOÁN CÁC PHƯƠNG ÁN THU HỒI NHIỆT
4.1. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ NGUỒN NHIỆT THẢI

33

4.1.1. Lưu lượng khói thải.

33

4.1.2. Trở lực đường khói.

33

4.1.3. Nhiệt độ đọng sương của khói.

33

4.1.4. Nhiệt lượng thu hồi từ khói thải.

34

4.2. PHƯƠNG ÁN SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG

35

4.2.1. Nhu cầu nước nóng lớn nhất

35

4.2.2. Lượng nước nóng có thể sản xuất tối đa.

36

4.2.3. Tính toán thiết bị sản xuất nước nóng đáp ứng nhu cầu
4.2.3.1. Tính toán thiết bị gia nhiệt sơ cấp

38

4.2.3.2. Tính toán thiết bị gia nhiệt thứ cấp

44

4.2.3.3. Sơ đồ thuật toán

47

4.2.3.4. Kết quả tính

48

4.3. PHƯƠNG ÁN SẢN XUẤT HƠI BÃO HOÀ

55

4.3.1. Nhu cầu hơi lớn nhất

55

4.3.2. Tính toán thiết kế thiết bị sinh hơi

56

4.3.3.1. Phương pháp tính toán

56

4.3.3.2. Chương trình tính toán.

56

4.3.3.3. Sơ đồ thuật toán

53

6


4.3.3.4. Kết quả tính.

64

4.4. KHẢ NĂNG CHẠY MÁY LẠNH HẤP THỤ

68

4.4.1. Phương pháp tính toán.

68

4.4.2. Chương trình tính toán.

70

4.4.2.1. Chọn các thông số làm việc của máy lạnh hấp thụ. 70
4.4.2.2. Tính các cấp áp suất làm việc trong hệ thống

70

4.4.2.3. Tính lưu lượng, entalpy, nồng độ, nhiệt độ.
4.4.3. Sơ đồ tính toán

73

4.4.4. Kết quả tính.

74

CHƯƠNG V. ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN
5.1. KHẢ NĂNG TẬN DỤNG NHIỆT THẢI

76

5.2. HIỆU QUẢ KINH TẾ

78

5.3. CHỌN PHƯƠNG ÁN PHÙ HP

81

CHƯƠNG VI. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

85

Phụ lục I. Chương trình tính toán các phương án

87

Phụ lục II. Thông số kỹ thuật của động cơ đốt trong.

126

Phụ lục III. Đặc tính kỹ thuật của dầu DO

132

Phụ lục IV. Nhu cầu nước nóng theo ngày tại KNM Hòn Tre

133

Phụ lục V. Nhu cầu nước nóng theo giờ (tháng 7/2006)

134

Phụ lục VI. Tiêu thụ dầu cho lò hơi.

136

Phụ lục VII. Tải máy phát hàng tháng.

137

Phụ lục VIII. Tiêu thụ dầu cho máy phát.

138

Phụ lục IX. Khu nghỉ mát Hòn Tre

139

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

141

7


CÁC KÝ HIỆU CHÍNH
α

hệ số toả nhiệt đối lưu, W/m2.độ

αc

hệ số toả nhiệt đối lưu của cánh, W/m2.độ

δ

chiều dày, m

εc

hệ số làm cánh

λ

hệ số dẫn nhiệt, W/m2.độ

ω

vận tốc chuyển động, m/s

ξ

hệ số trở kháng

ν

độ nhớt, m2/s

ζ

hệ số trở lực cục bộ

η

hiệu suất nhiệt, %

ρ

khối lượng riêng, kg/m3

cpk

nhiệt dung riêng của khói, kJ/kg.độ

cpn

nhiệt dung riêng của nước, kJ/kg.độ

dng

đường kính ngoài, m

dtr

đường kính trong, m

dc

đường kính cánh, m

D

sản lượng hơi, kg/h

Gk

lưu lượng khói thải, kg/h

Gnnsc

lưu lượng nước nóng của gia nhiệt sơ cấp, m3/h

Gnntc

lưu lượng nước nóng của gia nhiệt thứ cấp, m3/h

Gtb

lưu lượng nước nóng trung bình, m3/h

Gth

lưu lượng nước tuần hoàn, m3/h

Gmax

lưu lượng nước nóng lớn nhất, m3/h

Gmin

lưu lượng nước nóng nhỏ nhất, m3/h

8


hc

chiều cao cánh, m

H

chiều cao thiết bị, m

HS

hiệu suất, %

k

hệ số truyền nhiệt, W/m2.độ

l

tổng chiều dài ống, m

L

chiều dài của 1 ống, m

m

số ống truyền nhiệt trong 1 hàng, ống

Nu

số Nousselt

p

áp suất, bar

Qk

nhiệt lượng thu hồi từ khói thải, kW

Re

số Reynold

s1

bước ngang, m

s2

bước dọc, m

sc

bước cánh, m

tkv

nhiệt độ khói vào, 0C

tkr

nhiệt độ khói ra, 0C

tkmin

nhiệt độ khói ra thấp nhất, 0C

ts

nhiệt độ đọng sương của khói, 0C

tnvsc

nhiệt độ nước vào bộ gia nhiệt sơ cấp, 0C

tnrsc

nhiệt độ nước ra bộ gia nhiệt sơ cấp, 0C

tnvtc

nhiệt độ nước vào bộ gia nhiệt thứ cấp, 0C

tnrtc

nhiệt độ nước ra bộ gia nhiệt thứ cấp, 0C

tmt

nhiệt độ môi trường, 0C

W

chiều rộng thiết bị, m

∆tpp

nhiệt độ điểm pinch, 0C

[∆p]

trở lực cho phép, Pa

9


CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BPS

bình phát sinh

COP

hệ số hiệu quả của máy lạnh

ĐCĐT

động cơ đốt trong

ĐHKK

điều hoà không khí

ECO

bộ hâm nước

HRSG

lò hơi thu hồi nhiệt thải

KNM

khu nghỉ mát

MLHT

máy lạnh hấp thụ

NSL

năng suất lạnh

PTCB

phương trình cân bằng

TĐN

trao đổi nhiệt

10


CHƯƠNG I. MỞ ĐẦU
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, cùng với sự phát triển kinh tế và xã hội, nhu cầu nghỉ mát, nghỉ
dưỡng ngày càng tăng. Để đáp ứng nhu cầu đó, các dịch vụ du lịch như nhà hàng,

khách sạn cao cấp được xây dựng ngày càng nhiều. Du khách thường thích đến
những nơi yên tịnh, có môi trường trong sạch thoáng mát. Chính vì vậy, nhiều khu
nghỉ dưỡng, nghỉ mát được xây dựng xa các thành thị, dọc theo bờ biển, hoặc trên
các đảo gần bờ.
Do vị trí như thế nên nhiều khu nghỉ rất xa lưới điện quốc gia, nên phải sử
dụng động cơ đốt trong để phát điện. Ngoài điện năng, tại đây còn có những nhu
cầu rất lớn khác về nhiệt như nước nóng và điều hoà không khí.
Khu nghỉ mát Hòn Tre là một trong những khu nghỉ mát (KNM) đẹp nhất
nước ta, được xây dựng tại đảo Hòn Tre, thành phố Nha Trang, tỉnh Khánh Hoà.
Nha Trang là thành phố du lịch nổi tiếng được nhiều du khách trong và ngoài
nước biết đến, Vịnh Nha Trang là một trong các vịnh đẹp nhất trên thế giới. Mỗi
năm tại đây có hàng triệu lượt khách đến tham quan du lịch và nghỉ dưỡng.
KNM Hòn Tre là địa điểm du lịch cao cấp, có các nhà hàng, khách sạn đạt
tiêu chuẩn 5 sao, có bãi tắm biển hấp dẫn, yên tịnh. Ngoài việc đáp ứng nhu cầu
nghỉ dưỡng còn có khả năng tổ chức hội nghị, hội thảo tầm quốc gia và quốc tế.
KNM Hòn Tre được xây dựng với quy mô 500 phòng khách tiêu chuẩn 5
sao. Hiện tại, một nữa số đó đã đưa vào sử dụng, đáp ứng khoảng 400-500 khách,
bình thường có 80-90% khách lưu trú, vào những ngày lể có thể đến 100%. Có 3
nhà hàng đáp ứng nhu cầu gần 1000 khách, 01 nhà ăn cho khoảng 200 nhân viên.
KNM Hòn Tre nằm cách xa đất liền, phương tiện để sang đảo là phà hoặc
tàu cao tốc, ở đây sử dụng động cơ đốt trong (ĐCĐT) để phát điện. Tại KNM này
nhu cầu về nước nóng, hơi nước là khá lớn. Hiện tại các nhu cầu này cung cấp

11


nhờ lò hơi đốt dầu. Nếu tận dụng nhiệt thải từ ĐCĐT để đáp ứng các nhu cầu này
thay cho lò hơi thì rất tốt, chắc chắn sẽ giảm chi phí về nhiên liệu.
Nhiệt độ trung bình của khói thải ĐCĐT khoảng 400-500 0C. Với nhiệt độ
này không đủ làm nguồn nhiệt trực tiếp làm việc cho chu trình động cơ, nhưng rất

phù hợp cho một số quá trình công nghệ khác.
Nói chung nhiệt thải có thể tận dụng để sản xuất nước nóng hoặc hơi nước.
Nước nóng và hơi nước được sản xuất từ nhiệt thải động cơ thích hợp cho nhu cầu
nhiệt độ thấp như gia nhiệt nước, cung cấp nhiệt chạy MLHT để ĐHKK hay làm
lạnh.v.v… Ở KNM, có thể sử dụng nguồn nhiệt thải từ ĐCĐT để:
- Cung cấp nước nóng.
- Sản xuất hơi bão hoà cho các dịch vụ và cung cấp nước nóng.
- Chạy MLHT để điều hoà không khí.
- Chưng cất nước biển để sản xuất nước ngọt.
- Gia nhiệt không khí cho nhu cầu sấy, sưởi.
Nhưng vấn đề là nhu cầu thì cần nhiều và đa dạng, nhưng công suất có thể
tận dụng thì có giới hạn. Tại KNM Hòn Tre nhu cầu về nước ngọt là rất lớn, dễ
dàng tính được rằng nếu tận dụng để chưng cất nước biển sản xuất nước ngọt thì
chỉ đáp ứng một phần rất nhỏ lượng nước ngọt yêu cầu, vẫn phải vận chuyển
nước ngọt từ đất liền ra đảo. Vì vậy phương án này không thiết thực và hiệu quả.
Phương án gia nhiệt không khí để sấy, sưởi không thực tế vì nhu cầu sấy không
nhiều. Hơn nữa, không thể dẫn khí nóng đi xa khu vực đặt máy phát điện.
Như vậy, về mặt ứng dụng và khả năng đáp ứng chỉ còn 3 phương án sản
xuất nước nóng, hơi nước và làm lạnh bằng MLHT cho KNM. Do đó, luận văn
tập trung nghiên cứu khả năng tận dụng nhiệt thải từ ĐCĐT để đáp ứng lần lượt
các nhu cầu nhiệt dạng nước nóng, hơi nước bão hoà và ĐHKK bằng MLHT.

12


Nếu tận dụng nhiệt thải từ động cơ để sản xuất nước nóng thì có ưu điểm
là chỉ cần nguồn nhiệt thải có nhiệt thế thấp (có thể chỉ cần tận dụng nhiệt thải
của nước làm mát), có thể sinh ra được lượng nước nóng lớn và kết cấu thiết bị
đơn giản. Tuy nhiên có nhược điểm là chỉ đáp ứng nhu cầu về nước nóng.
Nếu tận dụng nhiệt thải để sản xuất hơi bão hoà thì đáp ứng được nhu cầu

sử dụng hơi nước, và dùng hơi để nấu nước nóng. Nhưng khi đó cần nguồn nhiệt
thải có nhiệt thế cao (từ khói thải động cơ) và kết cấu thiết bị phức tạp hơn.
Nếu tận dụng nhiệt thải từ động cơ chỉ để chạy MLHT thì giảm được lượng
điện tiêu hao cho làm lạnh. Tuy nhiên cần thiết bị sản xuất nước nóng hoặc hơi
bão hoà từ các nguồn năng lượng khác, kết cấu thiết bị phức tạp, công suất lạnh
không lớn và chi phí đầu tư cao.
1.2. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN
1.2.1. MỤC TIÊU
Tính toán đánh giá 3 phương án tận dụng nhiệt thải từ ĐCĐT để: Cung cấp
nước nóng, sản xuất hơi bão hoà và chạy MLHT để điều hoà không khí.
1.2.2. NỘI DUNG
- Nghiên cứu khả năng thu hồi nhiệt thải từ ĐCĐT để đáp ứng một trong
các nhu cầu sau:
+ Cung cấp nước nóng.
+ Sản xuất hơi bão hoà.
+ Chạy máy lạnh hấp thụ để điều hoà không khí.
- Viết chương trình tính thiết kế thiết bị thu hồi nhiệt cho các phương án.
- Phân tích hiệu quả kinh tế.

13


CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ THU HỒI NHIỆT THẢI TỪ
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.1. KHÁI QUÁT VỀ NHIỆT THẢI
2.1.1. KHÁI QUÁT CHUNG
Nhiệt thải là phần năng lượng ở dạng nhiệt năng trong phần chênh lệch
giữa lượng năng lượng được cấp vào để chuyển hóa vào các mục tiêu có ích. Nói
cách khác, nhiệt thải là lượng năng lượng ở dạng nhiệt năng được thải bỏ ra
ngoài môi trường sau một quá trình sử dụng năng lượng bất kì.

Tùy theo đặc điểm của nguồn nhiệt thải và không phải bất kỳ nguồn nhiệt
thải nào cũng đều có thể tận dụng được. Để làm cho quá trình tận dụng nhiệt thải
mang tính khả thi, hiệu quả và hợp lý, cần chú ý không chỉ đặc điểm của nguồn
nhiệt thải, mà còn chú ý đặc điểm phía sử dụng. Cụ thể, lưu ý yếu tố sau:
- Chủng loại, thành phần hóa học và các thông số cơ bản của nhiệt thải
như: áp suất, nhiệt độ và lưu lượng.
- Mức độ ổn định và liên tục của nhiệt thải.
- Mục đích và qui mô sử dụng.
- Công nghệ và sơ đồ của hệ thống tận dụng nhiệt thải.
- Hiệu quả kinh tế.
Việc tận dụng nhiệt thải để đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng trong
thực tế là một trong những hướng đang được quan tâm. Đây là một trong những
biện pháp then chốt góp phần tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.
2.1.2. CÁC NGUỒN NHIỆT THẢI
Tùy nguồn gốc phát sinh, người ta chia các nguồn nhiệt thải ra hai loại:
- Loại thứ nhất: bao gồm tất cả các nguồn nhiệt thải phát sinh từ các quá
trình sản xuất trong công nghiệp. Chủng loại của các nguồn nhiệt thải này khá đa
dạng, thường là nước nóng, hơi nước, không khí nóng và khói thaûi.

14


- Loại thứ hai: là các thành phần nhiệt thải do các động cơ nhiệt nhả ra
môi trường trong quá trình làm việc, hoặc nhiệt lượng do các chất môi giới dùng
để làm mát động cơ và các thành phần khí thải khác mang ra.
Khi sử dụng nhiệt thải nói chung, các nhà thiết kế thường căn cứ vào nhiệt
độ của nguồn nhiệt thải để quyết định phương án tận dụng hoặc lựa chọn chủng
loại thiết bị thích hợp. Tùy theo mức độ, người ta chia các nguồn nhiệt thải ra làm
ba loại: nhiệt thế cao, nhiệt thế trung bình và nhiệt thế thấp.
Một số loại nhiệt thải và mức nhiệt độ tương ứng:

Loại

Nguồn gốc

Nhiệt thế cao

Nhiệt

Khí thải từ nhà máy luyện Nickel

1370 - 1650

Khói thải từ lò nấu thủy tinh

1050 - 1550

Khí thải nhà máy luyện thép

927 - 1038

Khí thải từ nhà máy luyện kẽm

760 - 1095

Khí thải từ nhà máy luyện đồng

760 - 816

Khí thải từ nhà máy luyện nhôm

649 - 760

Khí thải lò đốt các chất thải rắn

650 -1000

thế Khí thải tuabin khí

trung bình

Nhiệt thế thấp

Nhiệt độ (0C)

400 - 550

Khói thải ĐCĐT

350 - 500

Khói thải lò hơi

250 - 300

Nước làm mát lò tôi kim loại

50 - 250

Nước làm mát ĐCĐT

60 - 120

Nước ngưng tụ từ các quá trình sản xuất

40 - 80

Nước giải nhiệt bình ngưng của máy lạnh 35 - 43
và hệ thống ĐHKK
Nước làm mát máy nén

15

32 - 49


2.1.3. THIẾT BỊ SỬ DỤNG NHIỆT THẢI
Việc khai thác và tận dụng các nguồn nhiệt thải có thể được thực hiện
bằng cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Nếu nguồn nhiệt thải đảm bảo độ sạch và
không gây ăn mòn thì có thể sử dụng trực tiếp. Ngược lại người ta sử dụng gián
tiếp các nguồn nhiệt thải thông qua trung gian của các bộ TĐN, phụ thuộc vào
chủng loại và tính chất vật lý của nguồn nhiệt thải mà các bộ TĐN được lựa chọn
cũng sẽ khác nhau.
+ Nếu nguồn nhiệt thải ở thể khí như: khói thải từ ĐCĐT hoặc tuabin khí,
bộ trao đổi nhiệt sẽ là loại khí-hơi (Exhaust gas-to-steam heat exchanger) hoặc
khí-nước nóng (Exhaust gas-to-hot water heat exchanger).
+ Nếu nguồn nhiệt thải ở thể lỏng như: nước ngưng hoặc chất lỏng nóng,
tùy vào nhiệt độ chất lỏng mà bộ trao đổi nhiệt có dạng lỏng-hơi nước hoặc lỏngnước nóng.
Dù cấp nhiệt trực tiếp hay gián tiếp, đều phải lưu ý đến mức độ trong sạch
và khả năng đóng cáu và ăn mòn thiết bị của nguồn nhiệt thải. Phụ thuộc vào
mức độ ổn định và khả năng cấp nhiệt của các nguồn nhiệt thải, cần lắp đặt hệ

thống cấp nhiệt hổ trợ, để đảm bảo sự vận hành tin cậy của hệ thống.
2.2. KHẢ NĂNG THU HỒI NHIỆT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
ĐCĐT được xem là loại động cơ nhiệt có hiệu quả sinh công lớn hơn so
với các loại động cơ nhiệt khác như: tuabin hơi nước, tuabin khí, v.v.. thông
thường, người ta sử dụng hệ thống đồng phát nhiệt điện (Cogeneration) làm việc
với ĐCĐT ở những cơ sở có mức tiêu thụ năng lượng trung bình và thấp. Do
ĐCĐT lớn thường có hệ thống giải nhiệt bằng nước, nên có thể thực hiện các
biện pháp thu hồi nhiệt không chỉ khí thải mà còn ở nước làm mát động cơ. Trước
đây, thường dùng dầu diesel để vận hành ĐCĐT, hiện nay sử dụng cả dầu nặng
và khí đốt (gas).

16


Do khởi động dễ dàng nên ĐCĐT thường được sử dụng ở những nơi có chế
độ làm việc gián đoạn.
Nhìn chung, ở ĐCĐT có 4 nguồn nhiệt thải có thể tận dụng (hình 2.1):
Khói thải ( exhaust gas)
Nước làm mát động cơ (Engine jacket cooling water)
Nước làm mát dầu (Lube oil cooling water)
Nguồn nhiệt từ bộ làm mát tuabo (Turbocharger cooling).

Nước nóng/
hơi nước

Bộ trao đổi nhiệt
đường khói thải

Bộ trao đổi nhiệt nước
làm mát động cơ

Bộ trao đổi nhiệt
làm mát dầu
Nước vào

Khói ra
Nhiên liệu
Không
khí

Turbo

G

Hình 2.1. Nguồn nhiệt thải có thể tận dụng ở ĐCĐT
hệ thống Cogeneration làm việc với ĐCĐT, người ta thường tận dụng
nhiệt thải để sản xuất hơi nước hoặc nước nóng (hình 2.2).
Hiệu suất toàn bộ của hệ thống có thể đạt tới 90% gồm: hiệu suất phát
điện khoảng 40% và hiệu suất thu hồi nhiệt khoảng 50%.
Thực tế cho thấy, nhiệt lượng thu hồi từ khí thải và nhiệt lượng thu hồi từ
cơ cấu giải nhiệt động cơ là tương đương nhau. Do nhiệt thế của nguồn nhiệt thu
hồi từ ĐCĐT thấp hơn so với trường hợp của tuabin khí, người ta chỉ có thể dùng

17


nhiệt lượng thu hồi từ ĐCĐT để sản xuất nước nóng hoặc hơi nước ở áp suất
thấp.

Bộ thu hồi nhiệt

Động cơ

G

Hộ sử dụng
nhiệt

Hình 2.2 . Hệ thống Cogeneration làm việc với ĐCĐT
2.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIỆT THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG HIỆN NAY
2.3.1. TRÊN THẾ GIỚI
Hệ thống đồng phát nhiệt điện sử dụng rất phổ biến và xem là điều tất
nhiên phải có ở hệ thống máy phát điện bằng ĐCĐT như Hình 2.3.
hệ thống phát điện, ĐCĐT làm quay máy phát điện, tạo ra điện và đưa
lên mạng lưới. hệ thống nhiệt, nước cấp lần lược đi qua các bộ TĐN của nước
làm mát động cơ, làm mát dầu, làm mát bộ nén khí. Sau đó được đưa vào thùng
chứa nước cấp cho lò hơi thu hồi nhiệt thải (HRSG) để sản xuất hơi nước hoặc
nước nóng.
Tùy thuộc vào khả năng đáp ứng của nguồn nhiệt thải mà có thể lắp thêm
thiết bị lò hơi hỗ trợ, đây là điểm khác nhau giữa sơ đồ Hình 2.2 và Hình 2.3.

18


Khói ra

Nhiên liệu

Hơi / Nước nóng

Nước ngưng

Thùng
nước cấp
Lò hơi
Bộ thu hồi
nhiệt

Nhiên liệu
Động cơ

G

Máy
phát

Nước
Trao đổi nhiệt với
nước làm mát

Hình 2.3. Sơ đồ hệ thống đồng phát nhiệt điện
Tuy nhiên, có nhiều trường hợp kết cấu hệ thống có sẵn, không thể tận
dụng được tất cả các nguồn nhiệt thải như sơ đồ trên, khi đó chỉ có thể tận dụng
nhiệt từ khói thải động cơ mà thôi, như sơ đồ Hình 2.4.
Nước ngưng

Thùng chứa
nước cấp

Khói ra

Nước cấp
bổ sung

Hơi nước
Bao hơi

Bộ thu hồi
nhiệt

Máy phát
Nhiên liệu
Động cơ

G

Hình 2.4. Sơ đồ tận dụng nhiệt từ khói thải ĐCĐT để sản xuất hơi nước

19


sơ đồ này, nước cấp vào đi trong các ống TĐN trên đường khói thải của
động cơ, khói thải từ động cơ có nhiệt độ cao sẽ gia nhiệt cho nước bên trong ống
để sinh hơi nước, hơi sinh ra tập trung ở bao hơi và đưa đến hộ sử dụng.
Tương tự, sơ đồ trên có thể dùng sản xuất nước nóng, khi đó không cần có
bao hơi. Nước cấp đi bên trong các ống TĐN, bên ngoài gia nhiệt bằng khói thải
từ động cơ. Nước nóng sau khi ra khỏi bộ gia nhiệt được dẫn đến nơi sử dụng.
Ngoài việc đáp ứng trực tiếp nhu cầu hơi bão hoà và nước nóng, nhiệt thải
từ ĐCĐT còn sử dụng để chạy MLHT để ĐHKK. Nhiệt thải dùng để sản xuất
nước nóng hoặc hơi nước, làm nguồn nhiệt để cấp vào BPS của MLHT.

Bộ thu hồi nhiệt

Động cơ

Máy lạnh
hấp thụ

Khói ra

Nước lạnh

Hình 2.5. Sơ đồ tận dụng nhiệt từ khói thải ĐCĐT để chạy MLHT
Tùy thuộc vào nhiệt độ nguồn nhiệt có thể chọn loại MLHT một cấp
(Single Effect), hai cấp (Double Effect) hoặc nhiều cấp đã được chế tạo sẳn với
nhiều mức công suất khác nhau.
Để tận dụng nhiệt thải ĐCĐT để cấp nhiệt cho MLHT, người ta dùng
phương pháp gián tiếp với chất cấp nhiệt trung gian là hơi nước hoặc nước nóng.
2..3.2. Ở VIỆT NAM
Việc nghiên cứu tận dụng nhiệt thải từ ĐCĐT để cung cấp nước nóng, hơi
nước hoặc làm lạnh hầu như chưa phổ biến, một vài nơi đã có lắp đặt thiết bị
nhưng kết quả ít được công bố rộng rãi như: siêu thị Cora (Big C) ở ngã ba Vũng

20


Tàu đã có sử dụng nhiệt thải từ ĐCĐT để chạy MLHT, hay khu nghỉ mát ở Đảo
Phú Quốc sử dụng nhiệt thải từ ĐCĐT để sản xuất nước nóng và một số nơi khác
tận dụng nhiệt từ khói thải từ ĐCĐT để làm tác nhân cho quá trình sấy. Tuy
nhiên, hiệu quả của việc lắp đặt thì chưa được công bố rộng rãi.
ĐCĐT dùng để phát điện, lượng nhiệt thải ra từ động cơ tương đối lớn,

trong khi các nhu cầu về hơi nước bão hoà và nước nóng thì được sản xuất từ lò
hơi, nếu tận dụng nhiệt từ ĐCĐT thì công suất vẫn đáp ứng được nhu cầu.
Hiện nay nhu cầu về nước nóng sử dụng tại các khách sạn, nhà nghỉ
thường sản xuất từ bình đun nước nóng bằng điện. Sử dụng bình này có ưu điểm
là gọn nhẹ và tiện nghi. Tuy nhiên có nhược điểm là tiêu hao điện năng lớn, tuổi
thọ vận hành thấp thường phải thay thế 1/3 -1/4 mỗi năm làm tăng chi phí sử
dụng và độ an toàn không cao. Có một số khách sạn cung cấp nước nóng theo
kiểu tập trung. Sử dụng lò hơi để sản xuất hơi gia nhiệt cho calorife, dùng bơm
tuần hoàn để đưa đến nơi tiêu thụ. Tuy nhiên dạng cung cấp này thì chưa phổ
biến và quan trọng là phải tiêu tốn dầu cho lò hơi.
Hiện nay đã có khách sạn cung cấp nước nóng hoàn toàn bằng năng lượng
mặt trời như khách sạn Sài Gòn. Sử dụng collector tấm phẳng để cung cấp nước
nóng cho 106 phòng. Có nguồn nhiệt hổ trợ bằng bình đun điện khi trời mưa hoặc
khi nắng yếu. Hệ thống này được lắp đặt bởi Trung tâm nhiệt Trường Đại học
Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh.
Việc sử dụng MLHT để điều hoà không khí ở Việt Nam cũng chưa phổ
biến, nếu tận dụng nhiệt thải từ ĐCĐT để vận hành MLHT thì cũng có khả năng
đáp ứng công suất lạnh tương đối lớn.
Qua đó chúng tôi thấy, việc nghiên cứu tận dụng nhiệt thải từ ĐCĐT để
cung cấp nước nóng, sản xuất hơi bão hoà và điều hoà không khí là rất cần thiết.

21


CHƯƠNG III. PHƯƠNG ÁN TẬN DỤNG NHIỆT THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG TẠI KHU NGHỈ MÁT HÒN TRE.

Trên cơ sở khảo sát các điều kiện thực tế tại khu nghỉ mát về nguồn nhiệt
thải từ động cơ đốt trong và các nhu cầu nhiệt đang sử dụng, luận văn đề ra các
phương án tận dụng nhiệt để đáp ứng cho các nhu cầu. Chương này luận văn trình

bày các vấn đề sau:
- Thông số kỹ thuật, nguồn nhiên liệu sử dụng và thông số khói thải của
động cơ đốt trong sử dụng tại KNM.
- Sơ đồ sản xuất nước nóng và nhu cầu về nước nóng tại KNM.
- Sơ đồ sản xuất hơi bão hoà và nhu cầu về hơi nước tại KNM.
- Nhu cầu về điều hoà không khí tại KNM.
- Đề xuất các phương án tận dụng nhiệt thải từ động cơ.

3.1. ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG SỬ DỤNG TẠI KNM HÒN TRE
3.1.1. THÔNG SỐ KỸ THUẬT
Khu nghỉ mát đảo Hòn tre có 3 máy phát điện, hoạt động luân phiên nhau,
với nhu cầu tải bình thường chỉ 01 cái hoạt động.
Thông số kỹ thuật chính của động cơ như sau:
Hãng chế tạo: MITSUBISHI
Số hiệu:

S16R-PTA, động cơ 4 thì, làm mát bằng không khí.

Số xylanh: 16 xylanh
Tỉ số nén:

14.0:1

Tiêu thụ nhiên liệu: 273.5 lit/h ở 75% tải
Đặc điểm kỹ thuật chi tiết hơn được trình bày ở Phụ lục II

22


Động cơ có hệ thống làm mát khép kín bằng dung dịch làm mát bên trong

động cơ và được giải nhiệt bên ngoài bằng không khí, vì thế nhiệt thải từ hệ
thống nước làm mát này không thể tận dụng được.
Cho nên nguồn nhiệt thải chúng ta có thể tận dụng ở động cơ này chỉ là
nhiệt từ khói thải động cơ.
3.1.2. NGUỒN NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG
- Loại nhiên liệu: Dầu Diesel.
- Nhà cung cấp: Saigon Petro Ltd.Co.
- Các chỉ tiêu hoá lý của dầu được trình bày ở Phụ lục III.
đây, chúng ta quan tâm đến hai chỉ tiêu liên quan đến quá trình tính toán:
+ Hàm lượng lưu huỳnh S: 0,445%.
+ Nhiệt trị: 10860 kcal/kg.
3.1.3. NHIÊN LIỆU TIÊU THỤ VÀ NHIỆT ĐỘ KHÓI THẢI THEO TẢI
Nhiệt độ khói thải của động cơ thay đổi theo tải sử dụng, tùy theo nhu cầu
tải mà nhiệt độ khói ra của động cơ thay đổi theo, số liệu do nhà cung cấp động
cơ kiểm tra sau khi lắp đặt như Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Lượng nhiên liệu và nhiệt độ khói theo tải động cơ
Tải (%)

25

50

Nhiên liệu tiêu thụ (l/h)

99.7

168.6

Nhiệt độ khói thải (0C)

321

410

75

100

125

235.3

304.4

327.3

465

502

513

Từ bảng trên ta thấy, nhiệt độ khói thải và nhiên liệu tiêu thụ thay đổi
theo tải sử dụng, ở nghiên cứu này chúng ta chọn chế độ làm việc để thiết kế hệ
thống thu hồi ở điều kiện tải 80%, tương ứng nhiệt độ khói thải khoảng 4700C.
3.2. NHU CẦU SỬ DỤNG NHIỆT TẠI KHU NGHỈ MÁT HÒN TRE
3.2.1.NHU CẦU NƯỚC NÓNG SINH HOẠT
+ Sơ đồ hệ thống sản xuất nước nóng: thể hiện ở Hình 3.1.

23

Bình đun nước nóng

Bình giản nở

Hơi nước từ lò hơi
Nước nóng đi

Nước ngưng
Nước nóng hồi về

Đồng hồ đo
lưu lượng

Thùng chứa
nước cấp bổ
sung

Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống sản xuất nước nóng sinh hoạt
+ Các thiết bị chính của hệ thống: gồm thùng chứa nước cấp bổ sung, để
dự trữ nước cho hệ thống nấu nước nóng, bơm cấp nước bổ sung, thùng đun nước
nóng sử dụng hơi bão hoà, dàn TĐN dạng ống xoắn, hệ thống cấp hơi và xả nước
ngưng. Bơm nước nóng và bình ổn áp cấp nước nóng đi cho các hộ tiêu thụ.
+ Hoạt động của hệ thống:
- Nước sau khi lọc đưa vào thùng chứa. Nước từ thùng chứa được bơm vào
thùng nấu nước nóng. Bơm nước hoạt động tự động theo mức nước trong thùng
chứa để đảm bảo mức nước trong thùng này luôn ở mức cho phép.
- Hơi từ lò hơi theo ống dẫn hơi đến thùng nấu nước nóng. Khi nhiệt độ
nước trong thùng nhỏ hơn mức cài đặt van từ sẽ mở để hơi đi vào ống xoắn,

truyền nhiệt cho nước và ngưng tụ lại. Nước ngưng được tách ra nhờ các van tách
nước tự động và đi về thùng chứa nước mềm để tiếp tục được bơm vào lò hơi.
- Nước nóng từ thùng được bơm cấp cho các hộ tiêu thụ. Các bơm hoạt
động luân phiên nhau. Nước nóng được bơm theo đường ống cấp và một phần hồi
lưu về thùng nấu nước nóng. Tín hiệu cấp cho bơm nước nóng là áp suất ở đầu

24


đẩy của bơm. đầu đẩy của bơm trang bị một bình giản nở để đảm bảo áp suất
trong đường cấp không dao động theo mạch xung do đường ống dài và có nhiều
hộ tiêu thụ đang sử dụng nước, tín hiệu hạ áp suất sẽ cung cấp cho bơm làm việc,
để đảm bảo luôn luôn có nước nóng trong đường ống chính.
- Để giảm tải cho bơm nước nóng khi khởi động, hệ thống được trang bị
một van hồi lưu tự động theo áp suất, sẽ hồi một phần nước nóng từ bình ổn áp
về lại bình đun nước nóng khi áp suất sau bơm quá áp suất làm việc.
+ Nhu cầu về nước nóng:
- Nhiệt độ nước nóng: tn = 50 - 550C.
- Lượng nước nóng sử dụng: khi tiến hành nghiên cứu chúng tôi đã thống
kê lưu lượng nước nóng sử dụng hàng ngày trong 7 tháng, từ tháng 7/2005 đến
tháng 01/ 2006 và được trình bày trên đồ thị Hình 3.2.
m3

100
90
80

Thán g 7

70

Thán g 8

60

Thán g 9

50

Thán g 10

40

Thán g 11

30

Thán g 12

20

Thán g 1/06

10
0
1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

29

Ngà y

Hình 3.2. Đồ thị lượng nước nóng tiêu thụ
Từ đồ thị cho thấy, lượng nước nóng sử dụng thay đổi theo từng ngày, từng
tháng trong năm. Tuy nhiên, giá trị trung bình dao động khoảng 50-55 m3/ngày,

những ngày mùa hè (đầu tháng 7) và tết dương lịch (đầu tháng 1) thì lượng khách

25