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

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

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Tháp giải nhiệt (TGN) được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh

vực, đặc biệt là cho các hệ thống nhiệt - lạnh với nhiệm vụ giải nhiệt

cho hệ thống Là một loại thiết bị trao đổi nhiệt (TĐN) hỗn hợp nên

quá trình truyền nhiệt trong tháp gắn liền với qúa trình truyền chất

Hiệu quả làm mát của tháp phần lớn phụ thuộc chủ yếu vào quá trình

bay hơi nước vào không khí, mà quá trình này lại phụ thuộc vào: điều

kiện khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm không khí), yêu cầu công nghệ (nhiệt

độ, lưu lượng nước cần làm mát), đặc trưng kết cấu khối đệm (diện

tích bề mặt riêng, chiều cao khối đệm)

Nước ta ở vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm có nhiệt độ và độ ẩm

tương đối của không khí thường cao, cao hơn nhiều so với các nước

ở vùng ôn, hàn đới, nên hiệu quả làm mát của TGN thường thấp hơn

giá trị thiết kế của các hãng sản xuất đưa ra Do chưa có những

nghiên cứu cụ thể về ảnh hưởng của môi trường khí hậu ở Việt nam

tới hiệu quả trao đổi nhiệt - trao đổi chất (TĐN - TĐC) trong TGN,

nên việc tính toán chưa dựa vào những cứ liệu khoa học Vì vậy, kết

quả tính chắc chắn không tránh khỏi sai sót, dẫn đến hậu quả: hoặc

công suất lựa chọn quá thừa gây lãng phí hoặc thiếu công suất làm

mát ảnh hưởng đến hệ thống, thậm chí gây ra sự cố phá huỷ hệ thống

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt - truyền chất (TN - TC) và ảnh

hưởng của điều kiện khí hậu nóng ẩm, yêu cầu công nghệ, đặc trưng

kết cấu khối đệm tới hiệu quả quá trình TĐN - TĐC trong TGN Trên

cơ sở đó xây dựng các cơ sở khoa học tin cậy (mô hình toán học và

các phương trình tiêu chuẩn) cho phép đánh giá hiệu quả làm mát (số

lượng và chất lương làm mát) của các TGN đang hoạt động khi điều kiện môi trường thay đổi, phục vụ cho việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế và điều khiển vận hành TGN trong điều kiện khí hậu nóng

ẩm ở Việt Nam là các mục tiêu cơ bản của luận án

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là các quá trình TN - TC trong TGN ngược chiều - loại thiết bị được sử dụng với mục đích giải nhiệt cho các hệ thống lạnh và điều hoà không khí ở Việt Nam

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Xây dựng phương pháp tính toán, đánh giá, kiểm tra hiệu quả

TN - TC trong các TGN, đặc biệt là các TGN làm việc trong điều kiện khí hậu có nhiệt độ, độ ẩm cao phục vụ cho việc thiết kế và điều khiển vận hành tối ưu các hệ thống lạnh và điều hoà không khí

5 Bố cục luận án

Luận án được trình bày trong 195 trang bao gồm phần mở đầu, kết

luận, tài liệu tham khao và 5 chương nội dung chi tiết Chương 1:

Tổng quan về tháp giải nhiệt; Chương 2: Mô hình toán học quá trình trao đổi nhiệt - trao đổi chất trong tháp giải nhiệt; Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm; Chương 4: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu

tố tới hiệu quả làm mát của tháp giải nhiệt; Chương 5: Nghiên cứu

mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt - trao đổi chất trong tháp giải nhiệt

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÁP GIẢI NHIỆT

Các hệ thống công nghệ nhiệt - lạnh đều có quá trình nhận và thải nhiệt Hiệu quả của các qúa trình này chịu tác động rất lớn từ nguồn nhiệt cấp, môi trường nhận nhiệt thải và phương pháp tiến hành quá trình TGN là giải pháp được chấp thuận rộng rãi nhất để thực hiện

quá trình giải nhiệt cho các hệ thống lạnh và điều hoà không khí Đây

là một thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống nhiệt lạnh

1.1 Tháp giải nhiệt và các đặc tính cơ bản của tháp giải nhiệt

TGN là một thiết bị TĐN kiểu tiếp xúc, trong đó chất mang nhiệt

là nước truyền nhiệt cho chất nhận nhiệt là không khí, không qua mặt

ngăn cách mà bằng tiếp xúc trực tiếp

1.1.3 Các đặc trưng cơ bản của TGN

* Quá trình trao đổi nhiệt hỗn hợp

Quá trình truyền nhiệt trong tháp là một quá trình hỗn hợp bao

gồm truyền nhiệt bằng đối lưu và truyền nhiệt bằng truyền chất

* Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

Trong TGN diện tích tiếp xúc giữa các dòng lưu chất là diện tích

bề mặt của toàn bộ các giọt nước, màng nước trên bề mặt khối đệm,

thành tháp… mà thực tế không thể xác định được một cách rõ ràng,

chính xác như các loại thiết bị TĐN bề mặt thông thường Với đặc

điểm này, ở TGN người ta thường quan tâm tới hiệu quả làm mát hơn

là hệ số trao đổi [5],[6]

* Hiệu suất của TGN

Hiệu suất của TGN là đại lượng đánh giá giới hạn làm mát của

tháp và được xác định [5]:

1 1

2

−

−

η

u n

n n t t

t

t (1.1)

1.1.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả làm mát của TGN

• Yếu tố khí hậu: nhiệt độ (tk1), độ ẩm không khí (ϕ)

• Yêu cầu công nghệ: nhiệt độ nước vào (tn1), hệ số tưới (μ)

• Kết cấu khối đệm: diện tích bề mặt riêng (f), chiều cao (H)

• Hướng tương đối của các dòng, thời gian tiếp xúc (τ)

1.2 Tình hình nghiên cứu về tháp giải nhiệt

1.2.1 Lịch sử nghiên cứu

Sự phát triển của lý thuyết TGN dường như bắt đầu với Fitzgerald [28], [38] Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của Fitzgerald chưa thực sự

cụ thể về TĐN - TĐC trong TGN

Merkel là trong những người đầu tiên đi sâu vào nghiên cứu về lý thuyết TGN [103] Ông đã kết hợp hai quá trình TN-TC, dựa trên thế truyền enthalpy, để thiết lập ra phương trình truyền tổng hợp vào những năm 1925

Năm 1964, Klenke [102] đề xuất xây dựng đường đặc tuyến của TGN, biểu diễn quan hệ giữa hiệu suất làm mát (η) và hệ số tưới (μ)

Năm 1973, Pope [105] từ các phương trình TN-TC chất cơ bản, đã thiết lập hệ phương trình mô tả quá trình TĐN-TĐC trong thiết bị TĐN hỗn hợp

Một phương pháp khác là tính toán nhiệt độ nước ra và Enthalpy của không khí ra đã được Dia [100] đề xuất vào năm 1975

1.2.2 Lý thuyết Merkel và các nghiên cứu theo thuyết Merkel 1.2.2.1 Lý thuyết Merkel

Trên cơ sở phương trình cân bằng năng lượng:

Qk = Qn = Q (1.6) Với thế truyền là enthalpy, phương trình truyền có dạng:

Q = β∗.F.[Ik(tn) - Ik(tu)] = β∗.f.V.[Ik(tn) - Ik(tu)] (1.7) Kết hợp hai phương trình Merkel nhận được:

−

=

1

1

2 ( ) ( ) )

( ) (

I

t

n n u

k n k k n

n

n

n I t I t

dt C t

I t I

dI G

V f G

Phương trình (1.9) được gọi là phương trình Merkel

1.2.2.2 Phát triển lý thuyết Merkel Mehlig [104] đã phát triển phương trình của Merkel thành dạng:

−

−

−

−

=

=

F

t t

n gh n g n hgh p k n kgh p

n n n

V

n

C i t i C

dt C dF

G

K

1

[ ] ) ( [

.

''

* ''

*

*

β

α β

α

Kiểm tra phương trình (1.10) so với thực nghiệm có cùng điều

kiện biên, Mehlig nhận thấy sai lệch giữa 2 kết quả giao động từ 9 ÷

15%, giá trị Kv trung bình từ thực nghiệm thấp hơn 12%

Lower và Chirstie [50] đã đề xuất hệ số truyền tổng hợp [kg/m3s]

và thiết lập được phương trình:

G

V t

I t I dt C

n v t

n n n

n

) ( ) (

.

1

2

λ

=

−

Phương trình (1.13) đã được tính toán so sánh với phương trình

Merkel, với sai lệch khoảng 10% [50]

Kunxiong Tan, Shiming Deng [59], [60], [61], khi bỏ qua sức cản

của bề mặt và xác định enthalpy của không khí bão hòa theo nhiệt độ

bề mặt tiếp xúc I(tgh), đã viết lại phương trình Merkel thành:

k k gh

k

G

V f t

I t I

) ( ) (

* β

=

−

∫ (1.15)

Vế trái của phương trình là đặc tính động học của tháp (Dynamic

Cooling Tower), vế phải là đặc tính khối đệm (Fill Characteristic)

Trên cơ sở phương trình Merkel, kết hợp với thực nghiệm, Viện

CTI (Cooling Tower Institute) [38], [40] đã xây dựng phương trình

biểu diễn mối quan hệ giữa β.F/Gn, Gn/Gk và (tn2 - tư1) dạng:

k n

G C L V a K G

F

⎟⎟

⎞

⎜⎜

⎛

=

.

β (1.16)

Tập hợp các đường cong (1.16) tạo thành đồ thị xác định hệ số đặc

trưng của tháp Dựa trên kết quả này các hãng sản xuất TGN trên thế

giới như: Marley (Mỹ), Daeil Aqua (Hàn Quốc), Rinki (Hồng Kông),

Liangchi (Đài Loan)… đã xây dựng công cụ tính toán TGN

1.2.3 Lý thuyết Klenke

Klenke [102] đề xuất xây dựng các đường đặc tuyến biểu diễn quan hệ giữa hiệu suất làm mát (η) và hệ số tưới (μ):

1 1

2

t t

t t

u n

n

−

− (1.17)

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

5 , 0

0

0 0 0

0

)

(

) ( ( )

(

) (

R

H R t t

t r D R t t

t t

i i u ni

ni s i

u ni

ni k

⎩

⎨

⎧

−

− +

−

λ

1.2.4 Lý thuyết của Pope Pope [105] đã xây dựng hệ phương trình vi phân trên cơ sở các

phương trình TN-TC cơ bản với thế truyền chất (dgh - d) Hệ phương trình vi phân có dạng như sau:

⎪

⎪

⎪

⎪

⎩

⎪⎪

⎪

⎪

⎨

⎧

−

− +

−

−

− +

−

− +

=

−

− +

−

−

− +

−

−

=

) ].

) ( [ )]

( ) ( ).[

1 ( ) (

].

) ( [

1

].

) ( [ )]

( ) ( ).[

1 ( ) (

) (

.

0

*

0

*

n n gh n ph k n kgh p k n kgh

n n gh n k

n n n k

n n gh n ph k n kgh p k n kgh

n gh k

n n n k

t C d t d t C r I t I C I t I

t d t d C G

G C dt di

t C d t d t C r I t I C I t I

d t d G

G C dt dd

β α β

Cùng quan điểm trên Stefanovic [83], [93] đã thiết lập hệ phương trình cân bằng nhiệt, cân bằng chất đối với không khí và nước ở trạng thái ổn định trong không gian 3 chiều, Theo Stefanovic hệ số TN-TC tổng hợp trên một đơn vị thể tích βv thay đổi không những theo chiều cao mà còn theo chiều ngang khối đệm

Một cách tương tự, Trần Quốc Khánh [107], đã thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả quá trình TĐN - TĐC cho thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp cùng chiều, hệ phương trình có dạng:

⎪

⎩

⎪

⎪

⎨

⎧

+

− +

−

−

=

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

+

− +

−

−

=

ph pk

ph k n n

gh k n p

k

gh n

gh

ph pk

k n p n

k

n

C d C

C t t d t d t t C

dd

dt

r d

t d

C d C t t C G

G

dd

dt

).

( ) (

"

.

) (

"

) ).(

(

β

α

β

α

(1.35)

1.2.5 Phương pháp Dia

Trên cơ sở phân tích đồng dạng của Sumanowitsch [106], Dia

[100] đã đề xuất phương pháp tính nhiệt độ nước ra và enthalpy của

không khí ra Tuy nhiên, các hệ số trong phương pháp này được xác

định thuần túy bằng kinh nghiệm, nên có thể dẫn đến sai số lớn

Các công trình nghiên cứu về TGN trên thế giới rất đa dạng,

nhưng đều được tiến hành trong điều kiện khí hậu có nhiệt độ và độ

ẩm rất thấp Vì vậy, vấn đề chính đặt ra trong các nghiên cứu này

không phải là ảnh hưởng của môi trường khí hậu mà là: sự bay hơi tự

nhiên trong TGN không có khối đệm [63], [68], [84]; chiều cao, cấu

trúc và kết cấu của vỏ TGN làm mát bình ngưng nhà máy điện [42],

[43], [75], [81], [91]; sự tuần hoàn của dòng không khí trong TGN

trao đổi nhiệt tự nhiên [64], [94]

Trong điều kiện khí hậu nóng ẩm ở Việt Nam trạng thái không khí

vào tháp có nhiệt độ, độ ẩm rất cao, có khi xấp xỉ trạng thái bão hoà,

đây là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả

làm mát, tình trạng vận hành và tuổi thọ của hệ thống

Chương 2

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

2.1 Hệ phương trình truyền nhiệt - truyền chất

Quá trình làm mát nước diễn ra trong tháp là một quá TN - TC hỗn hợp Ngoài quá trình trao đổi nhiệt đối lưu còn có quá trình trao đổi nhiệt bằng trao đổi chất Vì vậy, mô tả quá trình trong TGN phải

là hệ phương trình biểu diễn quá trình TN - TC

2.1.1 Giả thiết khi nghiên cứu

Thiết bị được coi là một hệ đoạn nhiệt, trong đó xẩy ra các quá trình liên tục, ổn định, các giá trị nhiệt dung riêng Cpk, Cph, Cn là không đổi, nhiệt độ bề mặt và tâm của giọt nước bằng nhau

2.1.2 Quá trình truyền nhiệt - truyền chất cơ bản

Xét một phân tố diện tích bề mặt tiếp xúc dF, hình 2.1 Khi tn >

tk ta có các phương trình TĐN - TĐC cơ bản gồm:

G n + d G n

i n + d i n

d Q t c

d Q d l

d F

i k + d i k

d + d ( d )

i k , d

G n , i n

G k

G k

Hình 2.1 Mô hình TĐN - TĐC trong phân tố dF

Trao đổi nhiệt đối lưu giữa nước và không khí

Lượng nhiệt trao đổi bằng đối qua dF:

dQđl = α.(tn- tk)dF = α.Δt.dF (2.1)

Trao đổi nhiệt do nước bay hơi vào không khí

Với việc sử dụng hệ số truyền chất β [kgh/m2sPa] thì lượng nước

bay hơi trong quá trình được tính như sau:

dGn = β.(Phgh - Ph).dF = β.ΔP.dF = Gk.d(d) (2.3)

Lượng nhiệt trao đổi bằng truyền chất được xác định:

dQtc = dGn.rgh = β.ΔP.rgh.dF (2.4)

2.1.3 Phương trình cân bằng nhiệt

* Phương trình cân bằng năng lượng: dQ = |dQn| = |dQk| (2.8)

* Phương trình truyền nhiệt - ẩm tổng hợp: dQ = dQdl + dQtc (2.13)

Từ phương trình (2.1), (2.3) và (2.5) nhận được:

2.1.4 Phương trình vi phân mô tả quá trình trong TGN

Từ các phương trình cơ bản (2.1), (2.3), (2.8) và (2.14) sau khi

biến đổi, ta thu được hệ phương trình:

⎪

⎪

⎪

⎪

⎩

⎪⎪

⎪

⎪

⎨

⎧

− + Δ Δ

=

+

− + Δ Δ

Δ + Δ

Δ

=

]

[ ) (

] ) ).(

.

(

).

.

( [

n gh

n k

n n

ph pk n gh

n ph k

n n k

i r P t

C G

G dt d d

C d C i r P t

C t C P t G

G dt dt

β α β

α

(2.22)

Hệ (2.22) là hệ phương trình vi phân biểu diễn sự biến đổi của

nhiệt độ không khí (tk) và độ chứa hơi (d) theo nhiệt độ nước (tn) Để

giải được hệ phương trình vi phân này cần phải xác định các đại

lượng và quan hệ liên quan khác như:

- Quan hệ giữa độ chứa hơi và nhiệt độ d = f(t)

- Độ chênh phân áp suất (ΔP)giữa lớp không khí giới hạn và không khí

- Tỉ lệ lưu lượng khối lượng nước và không khí

- Tổ hợp hệ số trao đổi nhiệt - ẩm hỗn hợp

d

P C d

t C P

t

pk pk

Δ

=

⇒ Δ

= Δ

Δ

β

α β

α (2.38)

Thay (2.22) vào (2.38) nhận được hệ mới sau:

- Hệ phương trình theo biến thiên nhiệt độ nước:

⎪

⎪

⎩

⎪

⎧

− + Δ

=

− + Δ

Δ

=

] ).

(

.[

] ) ).

( (

.[

d i r t C

C d G

G dt dd

d i r t C

t C G

G dt dt

n gh pk

n k

n n

n gh pk

n k

n n

k

(2.40)

- Hệ phương trình theo biến thiên độ chứa hơi:

⎪

⎪

⎩

⎪

⎪

⎨

⎧

− + Δ

=

Δ

=

]

.[

) (

) (

n

n gh pk n k n k

C

i r d

t C G

G d d dt d

t d d

dt

(2.41)

(2.40), (2.41) là các hệ phương trình vi phân thường có thể giải được bằng phương pháp số, chúng đơn giản và có ít đại lượng cần xác định hơn dạng hệ phương trình (1.28) của Pope [105]

2.2 Phương trình xác định đặc trưng khối đệm

Phương trình xác định diện tích truyền nhiệt - truyền chất

=∫2 Δ

1

) (

d

d

k d d P

G F

β (2.42)

Phương trình xác định chiều cao khối đệm

∫ Δ

=

1

) (

*

d

d

f P

G Z H

β (2.48)

Kết hợp (2.40) với (2.42), (2.48) thu được hệ phương trình sau:

⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎩

⎪

⎪

⎪

⎪

⎪

⎨

⎧

Δ

= Δ

=

− + Δ

=

− + Δ

Δ

=

) (

) (

] ).

(

.[

] ).

( (

.[

*

d d f P

G dz

d d P

G dF

d i r t C

C d G

G dt dd

d i r t C

t C G

G dt dt

k k

n gh pk

n k

n n

n gh pk

n k

n n k

β β

(2.49)

2.3 Điều kiện đơn trị và phương pháp giải

2.3.1 Điều kiện đơn trị

Điều kiện đơn trị: tính chất vật lý của không khí và nước (Cpk,

Cn ), điều kiện hình học của thiết bị (H, f ) và điều kiện biên của

quá trình (tk, d, tn )

2.3.2 Phương pháp giải

Hệ phương trình (2.40), (2.41) và (2.49) có thể giải bằng phương

pháp số Trong luận án đã chọn phương pháp số Runge - Kuta cấp 4

để giải các hệ này

2.4 Xác định dạng các phương trình thực nghiệm

2.4.1 Các đại lượng đặc trưng về truyền nhiệt - truyền chất

Đặc trưng về nhiệt: tk1, dk1, tk2, dk2, tn1, tn2, Gn1, Gn2, Gk, α, β*

Đặc trưng về hình học: f, H, D, l1, l2, dp

2.4.3 Dạng các phương trình thực nghiệm

Trên cơ sở lý thuyết đồng dạng đã xây dựng được các dạng phương

trình tiêu chuẩn sau:

a Phương trình xác định hiệu quả làm mát

1 1

1 1

1 1

1

n

k k

n

u k

n

k n

G

G t

t t

t C

t

b Phương trình xác định hệ số đặc trưng của TGN

1 1

1 2

*

m m

n

k m n

u m n

k p

H f G

G t

t t

t C

β

c Phương trình xác định kích thước đặc trưng của khối đệm

1 1

2 1

1 1

1 3

p n

k p n

n p n

u p n

k

G

G t

t t

t t

t C

H

d Phương trình xác định tỷ lệ lưu lượng nước và không khí

3 2

) (

1 1

1 1

1 4 1

n

k q n

u q n

k n

n

G

G t

t t

t C

G

G

Chương 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

3.2 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

3.2.1 Giới thiệu mô hình thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm là thiết bị TGN T123D do hãng Didacta của

Ý chế tạo Thiết bị T123D được sử dụng để mô tả trực quan nguyên

lý làm việc của TGN và thực hiện một số bài thí nghiệm đơn giản về TĐN - TĐC trong TGN Trước khi thực nghiệm, đã tiến hành kiểm tra thiết bị Kết quả cho thấy: Thiết bị chưa đáp ứng được mục đích của nghiên cứu Do đó, để có thể nghiên cứu thực nghiệm trên thiết

bị T123D, thì phải cải tạo, nâng cấp thiết bị

3.2.3 Cải tạo nâng cấp thiết bị thí nghiệm T123D

1 - Thay thế đồng hồ đo có nguyên lý làm việc tương tự nhưng độ chính xác cao hơn (độ phân giải 0,1 K)

2 -Bổ sung thêm vào hệ thống thiết bị điều chỉnh mềm công suất điện cấp cho bộ phận gia nhiệt nước

3 - Chế tạo thêm một số tháp có H và f khác nhau:

* 05 tháp tròn, d = 190 mm, H = 150 ÷ 750 mm và f = 300 m2/m3;

* 03 tháp vuông 150x150mm có H = 600mm, f = 200÷300 m2/m3

4 - Bổ sung thêm các thiết bị như: Thiết bị tăng ẩm bay hơi tự nhiên, tăng ẩm kiểu phun sương; tăng ẩm dạng phun hơi bão hoà và

thiết bị hoà trộn không khí

3.2.4 Vận hành thử nghiệm và đánh giá

Sau khi cải tạo, nâng cấp, thiết bị T123D đã được chạy thử, kiểm tra Kết quả cho thấy:

Thiết bị đã đảm bảo yêu cầu cho nghiên cứu thực nghiệm Tuy nhiên, để thu được kết quả chính xác hơn đã bố trí thêm 4 đầu đo ở tiết

diện ngang miệng không khí ra Giá trị tính toán sẽ là giá trị trung bình

của 4 đầu đo phụ và đầu đo chính Ngoài ra để hạn chế các sai lệch

ngẫu nhiên, mỗi chế độ thực nghiệm được lặp lại 5 lần Kết quả của

một chế độ thực nghiệm là giá trị trung bình của 5 lần đã đo

3.4 CÁC CHẾ ĐỘ THỰC NGHIỆM VÀ XƯ LÝ KẾT QUẢ

3.4.2 Các chế độ thực nghiệm

Bảng 3.9 Giới hạn các thông số trong thực nghiệm

6 Diện tích bề mặt riêng khối đệm,

m2/m3

f 0, 25, 125, 160,

200, 250, 300

Ngoài ra, đã tiến hành thực nghiệm trên một số tháp ngoài thực tế

ở các địa phương như: Hà Nội, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình

Đã thực hiện được 301 chế độ thí nghiệm trong phòng thí nghiệm

và hơn 26 chế độ trên thiết bị thực tế Kết quả thí nghiệm là giá trị

trung bình của 5 lần đo với sai số ngẫu nhiên tương đối là 0,32% trên

mô hình thực nghiệm và 1,15 % với các đo đạc ngoài thực tế

3.4.3.3 Đánh giá sai số

Nếu coi lượng nước bổ sung trong các chế độ thí nghiệm là chuẩn

xác, thì sai lệch giữa tính toán từ số liệu thực nghiệm và lượng nước

bổ sung có sai lệch trung bình 2,79% Tương tự sai lệch trung bình về

cân bằng nhiệt tương ứng là 6,62%

Sai lệch về cân bằng nhiệt lớn hơn cân bằng chất, tuy nhiên, các sai lệch này không ảnh hưởng đến kết quả khi đánh giá về công suất nhiệt

vì công suất nhiệt sẽ được tính qua lượng nhiệt của nước được giải

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

4.1 HIỆU SUẤT NHIỆT VÀ TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ TGN Các tiêu chí đánh giá hiệu quả làm mát của TGN là: nhiệt độ nước sau khi làm mát tn2, lượng nhiệt nước được giải Qn (công suất nhiệt)

và trở lực của khối đệm (ΔP)

Từ 301 chế độ thực nghiệm trên mô hình và 26 chế độ thực nghiệm trên các TGN ngoài thực tế, đã tiến hành đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố tới hiệu quả làm việc của TGN

4.2 ẢNH HƯỞNG TỚI HIỆU QUẢ LÀM MÁT TGN

4.2.1 Ảnh hưởng của yếu tố khí hậu

Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm không khí tới hiệu quả giải nhiệt trong tháp là rất lớn Đặc biệt trong điều kiện khí hậu nóng ẩm ở Việt Nam thì các TGN được chế tạo ở vùng ôn, hàn đới sẽ có công suất nhiệt giảm đi 60% và nhiệt độ nước sau khi được làm mát tăng lên ít nhất là 2K Đây là nhân tố ảnh hưởng chính của vùng khí hậu nóng

ẩm tới hiệu quả làm mát của TGN

3000

3500

4000

4500

5000

5500

ϕ [%] →

n [kJ/

→

31 32 33 34 35

36

0 C] →

t k1 = 30oC

t k1 = 35oC

t k1 = 30oC

o

C

tk1 = 25oC

900

1400

1900

2400

2900

3400

t k1 [0C]→

→

29 30 31 32 33

34

n2 [

0 C] →

tn2

Q n

Hình 4.3 Ảnh hưởng của t k tới t n2 , Q n khi t n1 = 35 o C

4.2.2 Ảnh hưởng của yêu cầu công nghệ

Nếu Gn không đổi, khi tăng Gk thì Qn tăng, tn2 tốt hơn và η tăng

Đây là một giải pháp để cải thiện và tăng hiệu quả làm mát của TGN

trong điều kiện môi trường có nhiệt độ cao và độ ẩm lớn

4.2.3 Ảnh hưởng của kết cấu khối đệm

1000 2000 3000 4000 5000 6000

f [m2/m3] →

Qn

10 15 20 25 30 35 40 45

0 C]

→

t n2

Q n

ΔP

G bh

Hình 4.6 Ảnh hưởng của f tới t n2 ,Q n ,ΔP,G bh khi t k1 = 30 o C,ϕ1 =80%

1000 2000 3000 4000 5000 6000

H [mm] →

Qn

14 19 24 29 34

39

t n2

0 C

G bh

t n2

Q n

ΔP

Hình 4.8 Ảnh hưởng của H tới t n2 , Q n ,ΔP,G bh khi t k1 = 25 o C, ϕ1 =70%

4.3 ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH TN - TC

- ϕ tăng thì quá trình truyền chất giảm, mức giảm lớn nhất của Qβ

là 33%, trung bình là 26%, tương ứng với β là 52% và 39%

- tk1 tăng thì Qα và Qβ có giảm, còn Qα lại giảm mạnh Ở ϕ = 75%

Qα giảm tới 87%, Qβ giảm 14% và khi ϕ =85% thì Qβ giảm tới 32%

- f tăng thì Qβ và Qα tăng, α và β giảm Cụ thể, mức độ biến đổi

của Qβ, Qα, α, β theo f lớn nhất khí f < 250m2/m3, còn khi f tăng từ

250 lên 300m2/m3 thì Qβ, Qα, α, β thay đổi rất ít

- H tăng, thì Qβ, Qα, α, β đều tăng và tăng mạnh khi H thay đổi từ

150mm đến 600mm Khi H > 600mm thì các đại lượng Qβ, Qα, α, β

không tăng, mà có xu hướng giảm

4.4 ẢNH HƯỞNG TỚI ĐẶC TRƯNG TN - TC

- Khi tk1 thấp thì α/β*.Cp cao, ϕ1 thấp thì α/β*.Cp thấp và ngược lại

Giá tri α/β*.Cp trung bình bằng 1,16 Kết quả này khá phù hợp với

kết quả của các tác giả nghiên cứu trước đây

- Khi μ tăng (tăng Gn) α/β*.Cp giảm và tiến gần tới 1 Tỷ lệ Qβ/Qα

giảm, quá trình truyền chất giảm

- Khi f tăng, α/β*.Cp tăng còn Qβ/Qα giảm, nhưng gần như ổn định

khi f đạt giá trị 250 đến 300 m2/m3

- Khi H tăng α/β*.Cp tăng và tỷ lệ Qβ/Qα giảm, nhưng sự thay đổi

gần như không đáng kể khi H đạt giá trị 450 đến 750 mm

4.5 CÁC PHƯƠNG TRÌNH TIÊU CHUẨN

Trên cơ sở số liệu thực nghiệm đã xác định được các hệ số thực

nghiệm cho các phương trình tiêu chuẩn, cụ thể:

4.5.2 Phương trình xác định hiệu quả làm mát của tháp

0,0170 -0,0500 -n1 k 0,2533 n1 u1 0,0284 n1 k1 n1

G

G (

) t

t (

) t

t 0,999.(

t

So sánh giá trị tn2 tính theo phương trình (4.7) và thực nghiệm ở

cùng chế độ được trình bày trên H 4.41 Sai lệch trung bình giữa 2

kết quả là: 2,10 %

4.5.3 Phương trình xác định tổ hợp hệ số đặc trưng của tháp

0,0175 0,1938

n1 k 0,7579 n1 u1 1,1469 n1 k1 p

G

G (

) t

t (

) t

t 0,9416.(

.C

β

Sai lệch trung bình của α/β*.Cp tính theo phương trình (4.9) so với thực nghiệm là 4,91% Giá trị α/β*.Cp trung bình nghiệm là 1,16

25 28 31 34 37 40

t n2TN

t n2-4.7

t n2-TN = t n2-4.7

Hình 4.19 So sánh giá trị t n2 tính theo (4.7) và theo thực nghiệm

4.5.4 Phương trình xác định tổ hợp H.f

6,143 -n1 k 0,8829 -n1 n2 1,0603 n1 u1 0,4468 n1

G

G (

) t

t (

) t

t (

) t

t 51,149.(

Sai lệch trung bình giữa kết quả tính toán theo phương trình (4.10)

và kết quả thực nghiệm là: 7,12%

4.5.5 Phương trình xác định G n2

5,2974 n1 k 0,0148 n1 u1 0,0057 -n1 k1 n1

G

G (

) t

t (

) t

t 0,9954.(

G

G

Sai lệch trung bình giữa kết quả tính toán theo phương trình (4.11)

và kết quả thực nghiệm là: 0,15%

Chương 5 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TĐN - TĐC

5.1 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

Đã xây dựng chương trình giải hệ phương trình vi phân TĐN -

TĐC trong TGN (2.40), (2.41) Kết quả tính toán xác định nhiệt độ

nước ra tn2 với điều kiện đơn trị là đầu vào của các chế độ thực

nghiệm có sai lệch lớn nhất là: 4,65%, nhỏ nhất là 0,02% và trung

bình là: 1,4% (sai lệch tuyệt đối là < 0,5 K)

25

28

31

34

37

40

t n2-T N

t n2-LT

t n2-TN = t n2-LT

Hình 5.1 So sánh kết quả tính t n2 theo lý thuyết và thực nghiệm

5.2 MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN TGN

Từ lưu đồ thuật toán và ngôn ngữ lập trình đã chọn, đã xây dựng

chương trình mô phỏng và tính toán TGN, chương trình cho phép:

* Chọn các dữ liệu đầu vào: vị trí địa lý đặt tháp (điều kiện khí hậu),

yêu cầu giải nhiệt, đặc trưng của khối đệm

* Tính toán xác định quá trình TN - TC trong tháp

* Mô phỏng quá trình TN - TC trong tháp, cụ thể mô phỏng trạng

thái không khí trên đồ thị I-d, mô phỏng quá trình TN - TC theo ϕ, H

* Xác định các giới hạn tối ưu trong vận hành và tính toán TGN

* Tính toán thiết kế TGN

Hình 5.3 Giao diện chính của chương trình

Hình 5.8 Biến thiên của t nϕ, Q, H theo độ ẩm không khí