Nghiên cứu khả năng dùng công nghệ tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống, trong các hệ thống 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 (1.24 MB, 122 trang )
Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------------
TRƯƠNG HỒNG ANH
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG DÙNG CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ LẠNH
DẠNG BĂNG TAN CHẢY BÊN NGOÀI ỐNG TRONG CÁC HỆ THỐNG
ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ TRUNG TÂM
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ NHIỆT
MÃ SỐ:
60.52.80
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 naêm 2006
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn:
-
Thầy hướng dẫn, TS.Nguyễn Thế Bảo đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi
điều kiện tốt nhất giúp tác giả hoàn thành luận văn.
-
Thầy chủ nhiệm ngành Công Nghệ Nhiệt, PGS.TS Lê Chí Hiệp cùng các
thầy cô của trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật đã
tham gia giảng dạy và hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình học tập.
-
Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng, Trường Trung học Kỹ thuật
nghiệp vụ Nguyễn Tất Thành, Công Ty Cơ Nhiệt Điện Lạnh Bách Khoa
đã tạo điều kiện cho tác giả thực hiện các thí nghiệm, cung cấp số liệu để
luận văn được hoàn thành.
-
Các thầy cô Phòng Đào Tạo SĐH đã giúp đỡ về vấn đề thủ tục.
-
Những người thân, đồng nghiệp và học viên lớp Cao Học Công Nghệ
Nhiệt K14 đã động viên và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện
luận văn.
Học viên cao học
Trương Hoàng Anh
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này đã trình bày tổng quát các phương pháp tích trữ lạnh khác
nhau hiện nay đang được sử dụng. Qua đó phân tích đáng giá và lựa chọn
phương pháp tích trữ lạnh ứng dụng cho hệ thống điều hòa không khí phù hợp
với điều kiện kinh tế và công nghệ hiện nay tại Việt Nam. Từ đó đã lựa chọn
được phương án tối ưu là tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống. Ngoài
ra các thí nghiệm được thực hiện nhằm đo đạc bề dày lớp băng hình thành trên
bề mặt ống trong quá trình tích trữ theo thời gian, sau đó tiến hành so sánh với
kết quả mô phỏng trên máy tính và đưa ra các nhận xét.
Luận văn đã đưa ra các phương pháp tính toán chế tạo thiết bị tích trữ
lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống, viết chương trình tính toán sơ bộ hệ
thống bằng phần mềm Microsoft Access, so sánh kinh tế khi sử dụng bồn tích trữ
băng với các hệ thống truyền thống.
Các vấn đề được nêu ra trong luận văn có thể làm cơ sở tính toán chế tạo
thiết bị tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống trong điều kiện công
nghệ Việt Nam, qua đó từng bước ứng dụng công nghệ tích trữ băng vào các hệ
thống lạnh tại nước ta nhằm giảm chi phí năng lượng.
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1:............................................................................................................1
1.1 Yêu cầu của đề tài ........................................................................................1
1.2 Nội dung nghiên cứu .....................................................................................2
1.3 Giới hạn của đề tài ......................................................................................3
1.4 Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................3
1.5 Ýnghóa khoa học và ý nghóa thực tiễn của đề tài .........................................4
CHƯƠNG 2:TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ LẠNH ................5
2.1 Tình hình sử dụng công nghệ tích trữ lạnh trên thế giới ..............................5
2.2 Nguyên lý chung của công nghệ tích trữ lạnh ..............................................6
2.3 Các phương pháp tích trữ lạnh ......................................................................7
2.3.1 Tích trữ toàn phần ..................................................................................7
2.3.2 Tích trữ một phần ...................................................................................8
2.4 Các sơ đồ tích trữ lạnh ................................................................................10
2.4.1 Tích trữ lạnh dùng nước lạnh ...............................................................10
2.4.2 Tích trữ lạnh dùng băng ......................................................................13
2.4.2.1 Tích trữ dùng băng dạng tónh (Ice-on-coil) ...................................13
2.4.2.2 Tích trữ băng dạng động (Ice havester) ........................................21
2.4.2.3 Tích trữ băng dạng bột băng (Ice slurry).......................................24
2.4.2.4 Tích trữ băng dạng nổi (Encapsulated ice)....................................26
2.4.3 Tích trữ lạnh dùng muối Eutectic.........................................................28
CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ ỨNG DỤNG CHO
ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ............................................................31
3.1 Đánh giá và lựa chọn sơ đồ phù hợp cho điều hoà không khí trong điều
kiện Việt Nam. ..........................................................................................31
3.2. Tính toán thiết kế bồn tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống...34
3.2.1 Xác định dung lượng bồn tích trữ lạnh và hệ số tỏa nhiệt chất tải lạnh
chảy trong ống......................................................................................34
3.2.2 Xác định bề dày lớp băng ....................................................................35
3.2.3 Tính toán thủy động trong dàn ống: .....................................................36
3.3 Tính toán tích trữ băng ứng dụng cho hệ thống điều hòa không khí..........37
3.3.1 Dung lượng của bồn tích trữ theo thời gian..........................................37
3.3.2 Chi phí sơ bộ đầu tư cho hệ thống ........................................................38
3.3.2.1 Đối với hệ thống truyền thống ......................................................38
3.3.2.2 Đối với hệ thống có dùng bồn tích trữ lạnh...................................39
3.3.3 Chi phí vận hành hàng năm .................................................................39
3.3.3.1 Đối với hệ thống truyền thống ......................................................39
3.3.3.2 Đối với hệ thống có dùng bồn tích trữ lạnh...................................40
3.3.4 Đánh giá kinh tế ...................................................................................41
3.3.4.1 Gia tăng phí đầu tư ban đầu do sử dụng bồn tích trữ lạnh.............41
3.3.4.2 Gia tăng phí đầu tư ban đầu do sử dụng bồn tích trữ lạnh.............41
3.3.4.3 Thời gian thu hồi vốn khi sử dụng bồn tích trữ lạnh......................41
3.4 Phần mềm tính toán kinh tế kỹ thuật..........................................................42
3.4.1 Sơ đồ khối của chương trình .................................................................42
3.4.2 Các giao diện của chương trình............................................................45
CHƯƠNG 4:THÍ NGHIỆM TÍCH TRỮ LẠNH DẠNG BĂNG TAN CHẢY
BÊN NGOÀI ỐNG ........................................................................51
4.1 Xây dựng mô hình thí nghiệm bồn tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên
ngoài ống. ..................................................................................................51
4.1.1 Giới thiệu hệ thống thực nghiệm .........................................................51
4.1.2 Đo đạc và ghi nhận các kết quả thí nghiệm .........................................57
4.2 Kết quả thực nghiệm ..................................................................................58
4.2.1 Bề dày lớp băng hình thành trên bề mặt ống theo thời gian ...............58
4.2.2 Quá trình thay đổi nhiệt độ của nước và chất tải lạnh.........................60
4.3 Kết quả mô phỏng trên máy tính................................................................62
4.4 Nhận xét......................................................................................................64
4.1.1 So sánh quá trình tạo băng lý thuyết và thực tế ..................................64
4.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành băng trên ống .....................67
4.1.2.1 Đường kính ống dàn lạnh...............................................................67
4.1.2.2 Nhiệt độ glycol trong dàn lạnh ......................................................68
CHƯƠNG 5:ĐÁNH GIÁ TÍNH KINH TẾ - KỸ THUẬT TRONG VIỆC
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ LẠNH DẠNG BĂNG
TAN CHẢY BÊN NGOÀI ỐNG CHO ĐIỀU HOÀ KHÔNG
KHÍ ..................................................................................................70
5.1 Tính toán chế tạo bồn tích lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên Ngoài Ống ....70
5.2 Tính toán kinh tế kỹ thuật ...........................................................................73
5.2.1 Tính toán theo phương án 1 .....................................................................73
5.2.1.1Cho hệ thống không có tích trữ lạnh ..............................................73
5.2.1.2 Cho hệ thống có tích trữ lạnh ........................................................75
5.2.2 Tính toán theo phương án 2..................................................................79
PHẦN KẾT LUẬN ..............................................................................................88
PHỤ LỤC
..........................................................................................................91
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................103
CÁC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 2.1
Tóm tắt đặc tính của các sơ đồ tích trữ...............................................7
Bảng 3.1
So sánh đặc tính các sơ đồ tích trữ ...................................................32
Bảng 3.2 So sánh đặc tính của các sơ đồ tích trữ băng.....................................33
Bảng 4.1 Kết quả đo đạc bề dày băng qua từ thực nghiệm..............................59
Bảng 5.1 Tính toán giá thành chế tạo bồn tích trữ lạnh ...................................72
Bảng 5.2 Chi phí đầu tư cho hệ thống ĐHKK không có tích trữ lạnh ..............73
Bảng 5.3 Chi phí vận hành cho hệ thống ĐHKK không có tích trữ lạnh .........74
Bảng 5.4 Chi phí đầu tư cho hệ thống ĐHKK có tích trữ lạnh .........................75
Bảng 5.5 Chi phí vận cho hệ thống ĐHKK có tích trữ lạnh .............................76
Bảng 5.6
Tính toán kinh tế cho hệ thống ĐHKK dùng bồn tích trữ lạnh dung
lượng tích trữ 4000kWh, nhập từ nước ngoài ....................................78
Bảng 5.7 Tính toán kinh tế cho hệ thống ĐHKK dùng bồn tích trữ lạnh dung
lượng tích trữ 4000kWh, chế tạo trong nước .....................................79
Bảng 5.8 Tính toán kinh tế cho hệ thống ĐHKK dùng bồn tích trữ lạnh dung
lượng tích trữ 6000kWh, nhập từ nước ngoài ....................................81
Bảng 5.9 Tính toán kinh tế cho hệ thống ĐHKK dùng bồn tích trữ lạnh dung
lượng tích trữ 6000kWh, chế tạo trong nước .....................................82
Bảng 5.10 Tính toán kinh tế cho hệ thống ĐHKK dùng bồn tích trữ lạnh dung
lượng tích trữ 8500kWh, nhập từ nước ngoài ....................................84
Bảng 5.11 Tính toán kinh tế cho hệ thống ĐHKK dùng bồn tích trữ lạnh dung
lượng tích trữ 8500kWh, chế tạo trong nước .....................................85
CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1
Sơ đồ vận hành tích trữ toàn phần ......................................................8
Hình 2.2
Sơ đồ vận hành tích trữ một phần kiểu san bằng tải. .........................9
Hình 2.3
Sơ đồ vận hành tích trữ một phần kiểu giới hạn tải yêu cầu. ..........10
Hình 2.4
Sự phân tầng nước lạnh trong bồn tích trữ nước lạnh.......................11
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ lạnh dùng nước. ..........................12
Hình 2.6 Băng tích trữ tan chảy bên ngoài ống...............................................13
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ băng tan chảy bên ngoài ống làm
lạnh trực tiếp bằng tác nhân lạnh. .....................................................15
Hình 2.8
Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ băng tan chảy bên ngoài ống làm
lạnh gián tiếp bằng chất tải lạnh.......................................................17
Hình 2.9 Băng tích trữ tan chảy bên trong ống ...............................................18
Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ băng tan chảy bên trong ống, làm
lạnh gián tiếp bằng chất tải lạnh.......................................................20
Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ băng dạng động .........................23
Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ băng dạng bột băng ...................25
Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ băng dạng nổi .............................27
Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ băng dạng nổi .............................29
Hình 3.1
Sơ đồ khối của chương trình tính toán ..............................................44
Hình 3.2 Giao diện chính của chương trình ......................................................45
Hình 3.3 Giao diện nhập thông số đầu vào ......................................................46
Hình 3.4 Giao diện kết quả tính toán ...............................................................47
Hình 3.5 Giao diện các thông số bồn tích trữ lạnh...........................................48
Hình 3.6 Giao diện đồ thị mô phỏng quá trình tạo băng trên ống ...................49
Hình 3.7 Giao diện tính toán kinh tế kỹ thuật ..................................................50
Hình 4.1 Mô hình thực nghiệm.........................................................................51
Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thực nghiệm .............................................52
Hình 4.3 Cụm máy nén ....................................................................................53
Hình 4.4
Dàn ống trao đổi nhiệt ......................................................................54
Hình 4.5 Bồn tích trữ lạnh dạng băng tan chảy trong ống ...............................55
Hình 4.6 Nhiệt kế điện tử.................................................................................56
Hình 4.7 Thước kẹp ..........................................................................................56
Hình 4.8 Mô hình thực nghiệm đang được vận hành .......................................57
Hình 4.9 Lớp băng hình thành trên ống ...........................................................58
Hình 4.10 Quá trình tạo băng trên ống theo thời gian .......................................60
Hình 4.12 Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình nạp tải ......................................61
Hình 4.13 Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình xả tải ........................................62
Hình 4.14 Quá trình tạo băng trên ống mô phỏng trên máy tính.......................64
Hình 4.16 So sánh hai quá trình tạo băng thực tế và lý thuyết ..........................66
Hình 4.17 So sánh hai quá trình tạo băng thực tế và lý thuyết ..........................67
khi bỏ qua quá trình làm lạnh nước ban đầu .....................................67
Hình 4.18 nh hưởng của việc thay đổi đường kính ống dàn lạnh đến sự hình
thành băng trên ống...........................................................................68
Hình 4.18 nh hưởng của nhiệt độ glycol trong dàn lạnh đến sự hình thành
băng trên ống.....................................................................................69
Hình 5.1 Tương quan giữa số giờ tích trữ và thời gian thu hồi vốn bồn tích trữ
có dung lượng 6000kWh ....................................................................83
Hình 5.2 Tương quan giữa số giờ tích trữ và thời gian thu hồi vốn bồn tích trữ
có dung lượng 8500kWh ....................................................................86
CÁC KÝ HIỆU CHÍNH ĐƯC SỬ DỤNG
Ký hiệu
Ý nghóa, đơn vị
CH :
Giá điện ứng với giờ cao điểm, đồng/kWh
CM :
Giá điện ứng với giờ bình thường, đồng/kWh
CL :
Giá điện ứng với giờ thấp điểm, đồng/kWh
CP
:
Nhiệt dung riêng chất tải lạnh, kJ/kg.độ
di
:
Đường kính trong của ống bộ trao đổi nhiệt, m
D
:
Thời gian vận hành trong một năm, ngày
Dng :
Đường kính ngoài của ống khi chưa có băng bám, m
dtd
:
Đường kính tương đương, m
Dx
:
Đường kính ngoài của ống khi đã có băng bám, m
f
:
hệ số ma sát của đoạn ống có đường kính d
g
:
gia tốc trọng trường, m/s2
H
:
độ cao của vị trí đang khảo sát so với mặt phẳng chuẩn, m
N
:
Công suất bơm chất tải lạnh, kW
n
:
Số ống trong một lối (pass) của bồn tích trữ lạnh, ống
m
:
Khối lượng nước m cần để tích trữ lạnh, kg
m1 :
Khối lượng băng (đá) bám trên mỗi mét ống, kg
mC :
Tiền đầu tư cho một đơn vị năng suất lạnh của tổ máy, triệu
đồng/kW
mS :
Tiền đầu tư cho một đơn vị dung lượng tích trữ, triệu đồng/kWh
IS
Chi phí đầu tư ban đầu đối với hệ thống có sử dụng bồn tích trữ
:
lạnh, triệu đồng
IC
:
Chi phí đầu tư ban đầu đối với hệ thống truyền thống, triệu đồng
IS1
:
Tổng tiền đầu tư cho tổ máy lạnh trong hệ thống có tích trữ băng,
triệu đồng
IS2
:
Tổng tiền đầu tư cho bồn tích trữ băng, triệu đồng
IS3
:
Tổng tiền đầu tư cho các thiết bị phát sinh khi sử dụng bồn tích
trữ lạnh, triệu đồng
L
:
Chiều dài ống tổng cộng trong dàn lạnh được chọn, m
L1
:
Chiều dài ống tổng cộng trong dàn lạnh, m
PH
:
Công suất tiêu thụ điện ứng với các giờ cao điểm, kWh
PM :
Công suất tiêu thụ điện ứng với các giờ bình thường, kWh
PL
Công suất tiêu thụ điện ứng với các giờ thấp điểm, kWh
:
PDH :
Công suất tiêu thụ điện để cấp lạnh trực tiếp ứng với các giờ cao
điểm, kWh
PDM :
Công suất tiêu thụ điện để cấp lạnh trực tiếp ứng với các giờ bình
thường, kWh
PDL :
Công suất tiêu thụ điện để cấp lạnh trực tiếp ứng với các giờ thấp
điểm, kWh
PSH :
Công suất điện tiêu thụ để tích trữ lạnh ứng với các giờ cao điểm,
kWh
PSM :
Công suất điện tiêu thụ để tích trữ lạnh ứng với các giờ bình
thường, kWh
PSL :
Công suất điện tiêu thụ để tích trữ lạnh ứng với các giờ thấp
điểm, kWh
Qi
:
QiS :
Dung lượng của bồn tích trữ băng, kWh
Dung lượng bồn tích trữ băng theo thời gian, kWh
qi
:
Nhiệt ẩn và nhiệt hiện của 1 kg nước tích được, kJ/kg
qr
:
Nhiệt ẩn đóng băng của nước, kJ/kg
QS :
Năng suất lạnh cực đại của tổ máy lạnh, kW
rx
:
Bán kính lớp băng hình thành, m
rng
:
Bán kính ngoài của ống, m
rtr
:
Bán kính trong của ống, m
TC
:
Tổng chi phí vận hành hàng năm đối với hệ thống truyền thống,
triệu đồng
TS
:
Tổng chi phí vận hành hàng năm đối với hệ thống có sử dụng bồn
tích trữ lạnh, triệu đồng
TS1 :
Tổng chi phí vận hành hàng năm khi cấp lạnh trực tiếp, triệu
đồng
TS2 :
Tổng chi phí vận hành trong năm khi cấp lạnh bằng bồn tích trữ,
triệu đồng
t2
:
Nhiệt độ của chất tải lạnh, 0C
α2
:
Hệ số tỏa nhiệt của chất tải lạnh, W/m2.độ
δx
:
Bề dày lớp băng hình thành, m
ΔI :
Mức gia tăng chi phí đầu tư ban đầu so với phương án truyền
thống khi sử dụng bồn tích trữ lạnh, triệu đồng
ΔP :
Trở lực của thiết bị về phía chất tải lạnh, Pa
ΔPc :
Trở lực cục bộ, Pa
ΔPm :
Trở lực ma sát, Pa
ΔPH :
Trở lực tạo bởi cột chất lỏng, Pa
ΔT :
Mức gia giảm chi phí vận hành so với phương án truyền thống khi
sử dụng bồn tích trữ lạnh, triệu đồng
Δt
:
Độ chênh lệch nhiệt độ của chất tải lạnh vào và ra bồn tích trữ
lạnh, 0C
λ
:
Hệ số dẫn nhiệt chất tải lạnh, W/m.độ
λd
:
λM :
Hệ số dẫn nhiệt của lớp băng, W/m.độ
Hệ số dẫn nhiệt của kim loại chế tạo ống, W/m.độ
μ
:
Độ nhớt động học của chất tải lạnh, Ns/m2
θ0
:
Nhiệt độ bề mặt lớp băng, 0C
ρ
:
Khối lượng riêng của nước, kg/m3
ρd
:
Khối lượng riêng của băng (đá), kg/m3
ρL
:
Khối lượng riêng của chất tải lạnh, kg/m3
ξ
:
hệ số tổn thất khi chất lỏng chuyển động qua các van, co, T…
τ
:
Thời gian tích trữ lạnh, h
ω
:
Tốc độ chảy của glycol trong chùm ống, m/s
TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
Họ và tên
: TRƯƠNG HỒNG ANH
Ngày tháng năm sinh : 10-05-1975
Địa chỉ liên lạc
Nơi sinh: Quảng Nam
: Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng
65 Huỳnh Thúc Kháng, phường Bến Nghé, quận 1,
thành phố Hồ Chí Minh
Điện thoại
: 0903344798
:
QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
-Từ tháng 10/1993 → 07/1998 : Học đại học tại trường Đại Học Kỹ Thuật Đà
Nẵng (ĐHBK Đà Nẵng).
- Từ tháng 09/2003 → 08/2005 : Học cao học tại trường Đại Học Bách Khoa
tp.Hồ Chí Minh.
QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC:
-Từ 10/1998 → 07/2000: Làm việc tại công ty CARRIER Việt Nam, chi nhánh
Đà Nẵng
-Từ 08/2000 → nay : Làm công tác giảng dạy tại trường Cao Đẳng Kỹ Thuật
Cao Thắng, 65 Huỳnh Thúc Kháng, phường Bến Nghé, quận 1, tp.Hồ Chí Minh
LỜI MỞ ĐẦU
Trên thế giới hiện nay vấn đề năng lượng luôn là vấn đề nóng bỏng và là
mối quan tâm hàng đầu của nhiều nước. Nguồn năng lượng hiện nay chúng ta
đang sử dụng hầu hết là năng lượng hóa thạch, mà đây không phải là nguồn
năng lượng vô tận, theo thống kê của IEA, trữ lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ
còn đủ sử dụng trong vòng 30 năm tới. Vì vậy việc sử dụng năng lượng tiết kiệm
và hiệu quả thời gian gần đây đã được nhắc đến rất nhiều.
Trong một vài năm gần đây, sự phát triển mạnh về kinh tế ở nước ta đã kéo
theo sự gia tăng đáng kể về nhu cầu sử dụng điện. Theo Tổng Công Ty Điện
Lực Việt Nam EVN, các nhà máy điện của EVN chỉ đáp ứng khoảng 42% tổng
nhu cầu về điện trong cả nước. Vì vậy, nước ta không tránh khỏi áp lực về sự
thiếu hụt điện trầm trọng trong mùa khô và đặc biệt vào các giờ cao điểm. Để
khắc phục tình trạng này, chính phủ một mặt tăng cường đầu tư mạnh cho ngành
điện: năm 2004 xây dựng 14 nhà máy với số vốn 22.000 tỷ đồng, năm 2005 khởi
công 10 dự án với số tiền lên đến 25.000 tỷ đồng. Mặt khác, đã ban hành nghị
định 102/2003/NĐ-CP về việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Ngoài
ra, ngành điện cũng tiến hành tính “điện 3 giá” nhằm giảm tải cho lưới điện vaứo
giụứ cao ủieồm:
ã
Giụứ thaỏp ủieồm tửứ 22h00 ữ4h00, giaự ủieọn laứ 897 ủong/kWh.
ã
Giụứ bỡnh thửụứng tửứ 4h00 ữ 16h00, giaự ủieọn laứ 1551 ủong/kWh.
ã
Giụứ cao ủieồm tửứ 18h00 ữ 22h00, giá điện là 2530 đồng/kWh.
Mới đây, EVN đã trình chính phủ đề án tăng giá điện lên khoảng 14,8% và
kéo dài giờ cao điểm lên 7 giờ so với 4 giờ trước đây.
Nước ta là một nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa, đặc biệt khu vực Nam bộ
nóng ẩm quanh năm nên nhu cầu sử dụng điều hoà không khí từ lâu đã rất cần
thiết. Vài năm trở lại đây, khi kinh tế phát triển mạnh kéo theo hàng loạt các
cao ốc văn phòng, khách sạn, siêu thị, xưởng sản xuất… mọc lên thì nhu cầu sử
dụng điều hoà không khí là không thể thiếu được. Mà hệ thống điều hoà không
khí là một trong những phụ tải rất lớn đối với lưới điện, theo thống kê trong một
cao ốc văn phòng hay một khách sạn thì lượng điện cấp cho hệ thống điều hoà
không khí chiếm từ 45 đến 55% tổng lượng điện tiêu thụ. Mặc khác, các hệ
thống điều hoà không khí luôn luôn được thiết kế lớn hơn tải đỉnh của nó và số
giờ để hệ thống làm việc ở phụ tải đỉnh trong ngày là rất ít, nên xét về hiệu quả
kinh tế là chưa cao.
Để giảm phụ tải điện vào giờ cao điểm và nâng cao hiệu quả kinh tế cho
các hệ thống điều hoà không khí, việc ứng dụng công nghệ tích trữ lạnh vào
việc cấp lạnh cho các hệ thống điều hoà không khí là rất hợp lý và cần thiết.
Công nghệ tích trữ lạnh giúp san bằng phụ tải làm giảm chi phí sử dụng điện cho
các doanh nghiệp, giảm áp lực tiêu thụ điện và còn giảm lượng khí thải nhà kính
ra môi trường.
Trên thế giới, công nghệ tích trữ lạnh đã được sử dung rộng rãi nhiều nơi từ
rất lâu nhưng tại Việt Nam nó mới được quan tâm gần đây. Vì thế việc đánh giá
khả năng ứng dụng công nghệ này cho điều hoà không khí trong tình hình sử
dụng năng lượng hiện nay tại nước ta là rất cần thiết.
1
CHƯƠNG 1:
MỞ ĐẦU
1.1 Yêu cầu 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 trò không thể thay thế của các hệ thống điều hòa không
khí. Hầu hết các tòa nhà văn phòng, khách sạn, siêu thị, nhà hàng… đều sử dụng
hệ thống điều hòa không khí. Tuy nhiên, các hệ thống điều hòa không khí là các
hệ thống sử dụng năng lượng với hiệu quả rất thấp, trong một ngày hệ thống làm
việc hết công suất chỉ vài giờ mà những giờ này lại rơi vào giờ cao điểm với giá
thành sử dụng điện rất cao. Còn phần lớn thời gian, hệ thống chỉ hoạt động một
phần phụ tải do nhu cầu phụ tải lạnh thấp.
Trước vấn đề này, từ lâu các nước trên thế giới đã khắc phục bằng các sử
dụng công nghệ tích trữ lạnh vào các hệ thống điều hòa không khí. Nguyên lý
chung của công nghệ tích trữ lạnh là tích trữ lạnh dưới nhiều dạng: nước lạnh,
băng… lúc hệ thống ở chế độ phụ tải thấp, giá điện rẻ và giải phóng lạnh cung
cấp cho hệ thống ở chế độ phụ tải cao, giá điện cao. Mặc dù đã được các nước
trên thế giới sử dụng rộng rãi nhưng tại Việt Nam hầu như chưa xuất hiện,
nguyên nhân chính là giá thành đầu tư của thiết bị tích trữ lạnh rất cao khiến cho
các nhà đầu tư e ngại.
Từ những lý do khách quan đã nêu trên, việc nghiên cứu chế tạo và ứng
dụng thiết bị tích trữ lạnh vào các hệ thống lạnh nói chung và các hệ thống điều
hòa không khí nói riêng tại Việt Nam là rất quan trọng và bức thiết. Các hệ
thống tích trữ lạnh sẽ giúp việc sử dụng năng lượng hiệu quả hơn, giảm chi phí
2
điện năng, giảm được áp lực đáng kể cho lưới điện quốc gia. Từ các vấn đề nêu
trên, yêu cầu và nhiệm vụ chính của luận văn này là:
- Lựa chọn sơ đồ tích trữ băng phù hợp với điều kiện Việt Nam.
- Thực hiện các thí nghiệm tạo băng trên ống.
- Đưa ra các cơ sở tính toán chế tạo bồn tích trữ lạnh dạng Băng Tan Chảy
Bên Ngoài Ống.
- Viết chương trình phần mềm mô phỏng quá trình tạo băng và tính toán
kinh tế, kỹ thuật cho các hệ thống điều hòa không khí có sử dụng bồn tích trữ
lạnh.
1.2 Nội dung nghiên cứu
- Đưa ra các phương pháp tích trữ lạnh hiện đang sử dụng trên thế giới, sau
đó so sánh và chọn ra sơ đồ tích trữ lạnh ứng dụng trong các hệ thống điều hòa
không khí phù hợp với điều kiện hiện nay tại Việt Nam.
- Nghiên cứu lý thuyết và thực hiện các thực nghiệm liên quan đến quá
trình hình thành băng trên bề mặt ống của thiết bị tích trữ băng dạng Băng Tan
Chảy Bên Ngoài Ống.
- Xây dựng mô hình thí nghiệm bồn tích trữ lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên
Ngoài Ống.
- Mô phỏng quá trình hình thành băng trên bề mặt ống bằng máy tính, sau
đó so sánh với kết quả thực nghiệm và đưa ra các nhận xét, đề nghị.
- Tính toán chế tạo một bồn tích trữ lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên Ngoài
Ống và tính toán sơ bộ giá thành thiết bị, sau đó so sánh với giá thành thiết bị
ngoại nhập.
- Tính toán kinh tế, kỹ thuật cho một công trình điều hòa không khí, so sánh
các trường hợp hệ thống có sử dụng bồn tích trữ lạnh với hệ thống truyền thống.
3
So sánh trường hợp sử dụng bồn tích trữ lạnh chế tạo trong nước và bồn tích trữ
lạnh nhập từ nước ngoài. Đưa ra các nhận xét.
1.3 Giới hạn của đề tài
Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu tính toán chế tạo một trong số rất nhiều các
thiết bị tính trữ lạnh hiện nay trên thế giới, đó là bồn tích trữ lạnh dạng Băng
Tan Chảy Bên Ngoài Ống.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu phương pháp tính toán chế tạo bồn tích trữ lạnh dạng Băng
Tan Chảy Bên Ngoài Ống.
- Xây dựng mô hình thí nghiệm bồn tích trữ lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên
Ngoài Ống.
- Nghiên cứu quá trình hình thành băng trên bề mặt ống băng mô hình thực
nghiệm.
- Đo đạc số liệu thí nghiệm từ một tích trữ lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên
Ngoài Ống.
- Nghiên cứu xây dựng phầm mềm mô phỏng quá trình hình thành băng
trên bề mặt ống, từ đó so sánh với quá trình thực tế để tìm ra hệ số hiệu chỉnh
cho quá trình mô phỏng.
- Nghiên cứu xây dựng chương trình phần mềm tính toán kinh tế, kỹ thuật
cho các hệ thống điều hòa không khí có sử dụng bồn tích trữ lạnh.
- Từ các kết quả tính toán và so sánh đã có, luận văn đưa ra các kết luận về
triển vọng chế tạo và sử dụng rộng rãi công nghệ tích trữ lạnh tại Việt Nam.
4
1.5 Ýnghóa khoa học và ý nghóa thực tiễn của đề tài
- Kết quả mô phỏng quá trình hình thành băng trên bề mặt ống có thể làm
cơ sở cho việc tính toán thiết kế bồn tích trữ lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên
Ngoài Ống.
- Đề tài định hướng cho việc chế tạo, ứng dụng rộng rãi bồn tích dạng Băng
Tan Chảy Bên Ngoài Ống vào các hệ thống điều hòa không khí trong điều kiện
công nghệ hiện nay tại Việt Nam nhằm giảm chi phí năng lượng.
- Như đã nói đến ở phần trên, công nghệ tích trữ lạnh đã được sử dụng từ
rất lâu trên thế giới nhưng hầu như chưa phổ biến tại nước ta. Đề tài này khẳng
định việc nghiên cứu chế tạo bồn tích trữ lạnh trong điều kiện công nghệ hiện
nay ở Việt Nam là hoàn toàn có thể, điều này giúp giảm giá thành thiết bị rất
nhiều và tạo điều kiện thuận lợi việc sử dụng công nghệ này rộng rãi ở Việt
Nam trong một tương lai gần.
5
CHƯƠNG 2:
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ LẠNH
2.1 Tình hình sử dụng công nghệ tích trữ lạnh trên thế giới
Công 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 bắt đầu được sử
dụng rộng rãi từ những năm 1970-1980 [4]. Công nghệ tích trữ lạnh thường được
sử dụng cấp lạnh cho văn phòng, khách sạn, bệnh viện, siêu thị, trường học, nhà
máy chế biến thực phẩm… Theo Potter (1994), trong các hệ thống tích trữ lạnh
được sử dụng thì có 80% đến 85% hệ thống tích trữ băng, 10% đến 15% tích trữ
nước lạnh và khoảng 5% tích trữ muối eutectic.
Tại Mỹ từ những năm đầu 1990 đã có từ 1500 đến 2000 công 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 thết giới, thì đến năm 1996 họ
đã cung cấp cho khoảng 500 công trình tích trữ lạnh tại Mỹ và 40 công trình tích
trữ lạnh tại Cana.
Tại Nhật, [9]:
- Năm 1990 có 1474 công trình điều hoà không khí có sử dụng tích trữ lạnh
- Năm 1993 có 2335 công trình điều hoà không khí có sử dụng tích trữ lạnh
- Năm 1998 có 5566 công trình điều hoà không khí có sử dụng tích trữ lạnh
Dự kiến đến năm 2010 các hệ thống tích trữ lạnh có thể dịch chuyển phụ tải
đỉnh khoảng 7,2.106kW.
6
2.2 Nguyên lý chung của công nghệ tích trữ lạnh
Nguyên lý chung của các hệ thống tích trữ lạnh là tích trữ lạnh dưới nhiều
dạng: nước lạnh, băng… lúc hệ thống ở chế độ phụ tải thấp, giá điện rẻ và giải
phóng lạnh cung cấp cho hệ thống ở chế độ phụ tải cao, giá điện cao.
Nhìn chung công nghệ tích trữ lạnh có ý nghỉa giảm chi phí năng lượng
bằng sự tập trung năng lượng, giá thành sản phẩm thấp do ít tốn kém chi phí
năng lượng.
Về phương pháp tích trữ lạnh, có hai phương pháp được sử dụng:
• Tích trữ toàn phần
• Tích trữ một phần
o Tích trữ một phần kiểu san bằng tải
o Tích trữ một phần kiểu giới hạn tải yêu cầu
Về công nghệ, có ba sơ đồ chính được sử dụng:
•
Tích trữ lạnh dùng nước lạnh: loại này còn được gọi là tích trữ dạng
nhiệt dung riêng hay nhiệt hiện, (nhiệt dung riêng của nước Cp=4,18kJ/kg).
•
Tích trữ lạnh dùng băng: loại này sử dụng cả nhiệt ẩn lẫn nhiệt hiện
vì vậy khả năng tích trữ năng lượng của băng gấp 7 lần của nước.
o Tích trữ băng dạng tónh (Ice-on-coil)
¾
¾
Băng tan chảy bên ngoài ống (External melt ice-on-coil)
Làm lạnh trực tiếp bằng tác nhân lạnh
Làm lạnh gián tiếp bằng chất tải lạnh
Băng tan chảy bên trong ống (Internal melt ice-on-coil)
o Tích trữ băng dạng động (Ice havester)
o Tích trữ băng dạng bột băng (Ice slurry)
o Tích trữ băng dạng nổi (Encapsulated ice)
7
•
Tích trữ lạnh dùng muối eutectic: loại này sử dụng tính biến đổi pha
của muối eutectic, năng lượng tích trữ chủ yếu là nhiệt ẩn, còn nhiệt hiện không
đáng kể.
Bảng sau đây tóm tắc các đặc tính của các sơ đồ tích trữ trên:
Bảng 2.1 Tóm tắt đặc tính của các sơ đồ tích trữ
Chất dùng để
Nhiệt độ
Nhiệt độ
Nhiệt độ biến
Dung tích,
tích trữ
tích trữ, 0C
xả tảiû, 0C
đổi pha, 0C
m3/kWh
Nước
4÷7
5÷8
/
0,0861÷0.1690
Băng
-9 ÷-3
1÷3
0
0,0193÷0.0265
4÷6
9÷10
8,3
0,0483
Muối eutectic
2.3 Các phương pháp tích trữ lạnh
2.3.1 Tích trữ toàn phần
Đối với phương pháp tích trữ này, máy lạnh hoàn toàn không hoạt động
vào giờ cao điểm vì toàn bộ tải lạnh giờ cao điểm đã được đáp ứng bằng lượng
lạnh đã được tích trữ trong hệ thống vào giờ thấp điểm. Do đặc điểm này nên
các thiết bị trong hệ thống như máy móc, bồn tích trữ… đều có kích thước lớn hơn
các hệ thống kiểu khác và giá thành đầu tư cũng cao hơn.
Tuy nhiên hệ thống tích trữ toàn phần là hệ thống đạt được sự tiết kiệm lớn
nhất do mức độ chênh lệch tương đối lớn giữa giá điện giờ cao điểm và giờ
thấp điểm (ở nước ta là khoảng 3 lần). Ngoài ra hệ thống này càng tiết kiệm hơn
ở nhưng nơi có tải đỉnh ngắn và sự chênh lệch giữa tải cao điểm và tải thấp điểm
lớn.
8
Hình2.1 Sơ đồ vận hành tích trữ toàn phần
2.3.2 Tích trữ một phần
Đối với phương pháp này, bồn tích trữ lạnh chỉ cung cấp một phần để đáp
ứng cho hệ thống khi tải đỉnh, phần còn lại do máy lạnh cung cấp. Vì vậy máy
lạnh phải hoạt động liên tục để vừa tích trữ lạnh vừa cung cấp lạnh đáp ứng phụ
tải. Hệ thống tích trữ này có trể chia ra làm 2 loại:
¾
Tích trữ một phần kiểu san bằng tải:
Ở phương pháp này, kích thước và giá thành của chiller, bồn tích trữ được
thiết kế ở mức tối thiểu nhưng vẫn đảm bảo đáp ứng được tải đỉnh. Chiller luôn
hoạt động ở chế độ đầy tải cả ngày, khi yêu cầu phụ tải thấp chiller vừa cấp
lạnh vừa tích trữ lạnh, lúc yêu cầu phụ tải cao phần thiếu hụt sẽ được bù đắp
bằng hệ thống tích trữ lạnh.
Hệ thống sử dụng phương pháp này lý tưởng ở những nơi có khuyến khích
về giá điện cho các phụ tải thay đổi điều độ, mức chênh lệch giữa tải đỉnh và tải
trung binh cao hoặc thời gian có tải đỉnh lớn.
