phần mềm tính toán thiết kế ống nhiệt trọng trường loại trơn cho ahu trong hệ thống điều hòa không khí

HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG MÃ SỐ: T70-2007 PHẦN MỀM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG LOẠI TRƠN CHO AHU TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ Chủ nhiệm đề tài: ThS.. Tro

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

PHẦN MỀM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG LOẠI TRƠN CHO AHU

TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ

MÃ SỐ: T70-2007

S 0 9

S KC 0 0 1 7 7 8

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG

MÃ SỐ: T70-2007

PHẦN MỀM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG LOẠI TRƠN CHO AHU TRONG HỆ THỐNG

ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ

Chủ nhiệm đề tài: ThS Đặng Thành Trung Người tham gia :KS Lại Hoài Nam

Tp Hồ Chí Minh 02/2008

PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế của cả nước, nhu cầu về kỹ thuật lạnh nói chung và điều hòa không khí nói riêng đang gia tăng mạnh mẽ Hầu như tất cả các cao ốc, nhà hàng, khách sạn, trường học, bệnh viện… đều có trang bị hệ thống hệ thống điều hòa không khí nhằm tạo môi trường hoạt động thoải mái cho con người Trong điều kiện khí hậu nước ta, hệ thống điều hòa không khí sử dụng máy lạnh nén hơi phải thực hiện cả nhiệm vụ làm lạnh không khí và tách ẩm để đạt đến môi trường điều hòa cần thiết (nhiệt độ 22 oC  26 oC và độ ẩm tương đối 50  60%) Do vậy, để thực hiện nhiệm vụ tách ẩm thì máy lạnh phải tiến hành làm lạnh không khí đến nhiệt độ dưới nhiệt độ điểm sương của không khí nên đã tốn nhiều năng lượng điện Ứng dụng ống nhiệt vào trong hệ thống điều hòa không khí sẽ góp phần tiết giảm bớt nguồn năng lượng này Vì vậy việc nghiên cứu viết phần mềm tính toán thiết kế bộ ống nhiệt (ON) cho hệ thống điều hòa không khí (ĐHKK) là hết sức cần thiết

Đề tài nghiên cứu “ Phần mềm tính toán thiết kế ống nhiệt trọng trường loại trơn cho AHU trong hệ thống điều hòa không khí” nhằm đưa ra một chương trình tính toán thiết kế bộ ON cho AHU (dàn lạnh) của hệ thống điều hòa không khí Đây còn là cơ sở cho việc chế tạo hệ thống ĐHKK kết hợp ON thực tế nhằm góp phần sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.2.1 Tình hình sử dụng ống nhiệt trong kiểm soát độ ẩm

Kiểm soát độ ẩm bằng ống nhiệt đã được một số công ty trên thế giới ứng dụng nhưng cũng chưa được nhiều Công ty Heat Pipe Technology, Inc được thành lập vào năm 1983 bởi ông Khánh Đình Công ty này đã nghiên cứu những ứng dụng mới của ống nhiệt để đưa ra thị trường Bằng nguyên lý ống nhiệt trong hệ thống điều hòa không khí, hiệu suất hút ẩm tăng cao, lượng ẩm lấy ra tăng từ 30 đến 50% Gần đây PT METROPOLITAN BAYU INDUSTRY đã đưa ra một sản phẩm mới dùng ống nhiệt trong điều hòa không khí với thương hiệu EZONE Với hệ thống điều hòa không khí kết hợp ống nhiệt sẽ tiết kiệm khoảng 20-30% năng lượng và kích cỡ hệ thống điều hòa không khí giảm nhỏ hơn 15-20% kích thước ban đầu

Ở Việt Nam, hiện nay chưa có một hệ thống kết hợp ống nhiệt trọng trường và máy lạnh có máy nén hơi nào đang sử dụng

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ống nhiệt trong kiểm soát độ ẩm

Cho đến nay có nhiều nhà khoa học trên thế giới đã và đang nghiên cứu về vùng nhiệt độ thoải mái trong điều hòa không khí cũng như công nghệ kết hợp ống nhiệt trọng trường và máy lạnh có máy nén hơi

Hiệu quả kiểm soát hút ẩm bằng ống nhiệt được nghiên cứu bởi Roy Johannesen và Michael West, Trường Đại học Florida năm 1991

Tác giả đã nghiên cứu kiểm soát ẩm bằng cách điều hòa không khí Khi dòng không khí đi qua dàn lạnh sẽ có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ điểm sương nên đã ngưng tụ lượng hơi nước trong không khí, lượng ẩm này được tách ra

Công nghệ ống nhiệt làm tăng khả năng tách ẩm: Ống nhiệt được đặt quanh dàn lạnh của hệ thống điều hòa không khí Dòng không khí sau khi qua ống nhiệt làm mát sơ bộ được đi qua dàn lạnh sẽ có nhiệt độ thấp hơn và

vì vậy nó gần đến điểm nhiệt độ đọng sương hơn nên dàn lạnh kèm ống nhiệt sẽ tách được nhiều ẩm từ không khí

Ở Việt Nam, theo những thông tin trên các tạp chí và mạng internet hiện nay rất ít các thông tin về nghiên cứu và chế tạo ống nhiệt TS Trần Văn Vang và PGS TS Hoàng Ngọc Đồng cũng đã nghiên cứu sử dụng ống nhiệt trọng trường trong hệ thống điều hòa không khí Hai tác giả trên chưa làm thí nghiệm hệ thống mà chỉ dừng lại ở mức độ giới thiệu nguyên lý hệ thống và tính thử một hệ thống điều hòa không khí khi không có và có lắp ống nhiệt

PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

2.1 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài nghiên cứu khoa học góp phần đưa ra khả năng ứng dụng của ống nhiệt trong hệ thống điều hòa không khí nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng

Công việc cụ thể: Viết chương trình tính toán thiết kế các thông số của ống nhiệt tương thích với một AHU (hay dàn lạnh) trong điều kiện khí hậu miền Nam Việt Nam

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Kết hợp lý thuyết và thực nghiệm Dựa trên cơ sở lý thuyết về ống nhiệt để xây dựng chương trình tính toán thiết kế bộ ống nhiệt trọng trường loại trơn cho hệ thống điều hòa không khí

2.3 NỘI DUNG

2.3.1 Nguyên lý làm việc của ống nhiệt:

Hình 1 Nguyên lý làm việc của ống nhiệt trọng trường

A: Môi chất ở trạng thái lỏng B: Môi chất nhận nhiệt để thực hiện quá trình bay hơi C: Môi chất nhả nhiệt để thực hiện quá trình ngưng tụ D: Môi chất từ phần ngưng tụ quay về phần bay hơi

Khi cấp nhiệt cho phần bay hơi của ống nhiệt, nhiệt độ nguồn nhiệt cao hơn nhiệt độ bay hơi của môi chất ở tại áp suất đang khảo sát, môi chất nhận nhiệt để thực hiện quá trình bay hơi Hơi môi chất đi qua phần ngưng tụ nhả nhiệt ra môi trường để thực hiện quá trình ngưng tụ Do lực trọng trường, môi chất sau khi ngưng tụ tự quay về phần bay hơi (Hình 1) Giữa phần bay hơi và phần ngưng tụ của ống nhiệt được ngăn cách bởi phần đoạn nhiệt Ống nhiệt thực hiện quá trình dẫn nhiệt kết hợp giữa dẫn nhiệt qua thanh và quá trình sôi nên hệ số truyền nhiệt rất cao

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống ĐHKK-ON

Khi lắp ống nhiệt vào dàn lạnh (ON-DL), không khí sẽ được làm mát sơ bộ đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ cần thiết trước khi vào dàn lạnh, do vậy nhiệt độ không khí sẽ đến gần nhiệt độ điểm sương hơn, và lượng ẩm sẽ lấy

ra nhiều hơn Sau khi không khí ra khỏi dàn lạnh được gia nhiệt trở lại bởi ống nhiệt để nhiệt độ đạt đến điều kiện thoải mái của con người rồi đi vào phòng cần điều hòa không khí

Hình 2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống ĐHKK-ON

Để thấy rõ hơn nguyên lý hoạt động của hệ thống ĐHKK-ON, chúng tơi đã lập trình mơ phỏng động hệ thống điều hịa khơng khí Water Chiller kết hợp ống nhiệt (Hình 3)

Bình ngưng Tháp giải nhiệt

Bơm Bơm

Ống nhiệt

Hình 3 Mơ phỏng động hệ thống điều hịa khơng khí trung tâm water

chiller bằng phần mềm Macromedia Director 8.5

Hình 4 Biểu diễn hệ thống trên đồ thị t-d

Nhiệt độ, o

C Hình a) Hệ thống truyền thống

2.3.3 Tính toán thiết kế bộ ống nhiệt

Hiện nay, các thông số thiết kế dàn lạnh của các nhà sản xuất máy lạnh đều tương đối chuẩn Do vậy, chúng tôi đã không phải thiết kế lại dàn lạnh, mà từ bất kỳ một dàn lạnh nào đó của một nhà sản xuất chúng tôi tính toán thiết kế bộ ống nhiệt tương thích với dàn lạnh này

Các thông số đầu vào:

- Chiều dài dàn lạnh L1 (lấy từ catalogue của nhà sản xuất)

- Chiều rộng dàn lạnh W1 (lấy từ catalogue của nhà sản xuất)

- Chiều cao dàn lạnh H1 (lấy từ catalogue của nhà sản xuất)

- Năng suất lạnh của dàn lạnh Qo (lấy từ catalogue của nhà sản xuất) Các thông số chọn và tính toán:

Dựa vào các tính toán thiết kế hệ thống điều hòa không khí, các điểm trạng thái được chọn như sau:

Không khí vào phần bay hơi của ống nhiệt: t3 = 27 oC,  = 60 %

Không khí ra khỏi khỏi dàn lạnh: t4 = 13 oC,  = 98 % Không khí ra khỏi phần ngưng của ống nhiệt: t4’ = 18 oC,  = 70 % Công suất nhiệt của ống nhiệt chính bằng nhiệt lượng không khí nhận từ phần ngưng của ống nhiệt, hay:

Năng suất lạnh của dàn lạnh khi có lắp ống nhiệt:

Năng lượng tiết kiệm khi sử dụng ống nhiệt:

0

.100

Q Q



, % Qua phân tích các môi chất làm việc cho ống nhiệt, Pentane được xem là môi chất làm việc thích hợp cho ống nhiệt dùng trong điều hòa không khí Pentane hay còn gọi là amyl hydrid là một hydrocacbon thuộc nhóm ankan với công thức C5H12

Các tính chất của vật lý của Pentane ở 20 0C: (Tham khảo [1]/345)

Khối lượng riêng ở thể lỏng: 625,5 kg/m3

Khối lượng riêng ở thể hơi: 2,20 kg/m3

Độ nhớt động lực học: 0,242 cP

Ứng suất bề mặt: 1,58.10-2 N/m

Nhiệt độ nóng chảy: - 130 0C

Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển: 28 0C

Loại ống nhiệt được chọn là ống nhiệt trọng trường loại trơn vì nó có đặc tính nhiệt tốt, dễ chế tạo Với môi chất làm việc là Pentane, vỏ ống nhiệt được chọn bằng đồng có hệ số dẫn nhiệt  = 394 W/m.K

Do hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía không khí rất nhỏ so với hệ số toả nhiệt khi sôi và ngưng của Pentane nên ống đồng được làm cánh bên ngoài

Đường kính ngoài của ống nhiệt dng , mm (Thay đổi theo giá trị nhập) Đường kính trong của ống nhiệt dtr , mm (Thay đổi theo giá trị nhập)

Bước ống của phần bay hơi s11 , mm (Thay đổi theo giá trị nhập) Bước ống của phần ngưng tụ s1 , mm (Thay đổi theo giá trị nhập)

s1 = s2 (Bước dọc bằng bước ngang) s11 = s22

Cánh ống dạng hình tròn được làm bằng đồng với:

Đường kính ngoài của cánh: dc = dng *1,3 , mm Số cánh trên 1 ống nc =H1

Nu = 0.251* Re0,67 *

0,2

s dng dng

minmax

t t

t t

Vì bên trong ống là Pentane nên hệ số toả nhiệt khi sôi và ngưng của pentane có giá trị rất lớn và đồng có hệ số dẫn nhiệt cũng rất lớn nên nhiệt trở của ống nhiệt trong trường hợp này chính bằng nhiệt trở phía không khí

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của ống nhiệt:

.

Q F

F o

Số hàng ống nhiệt:

1

no s z

dng s

z: Số hàng ống nhiệt

Giới hạn âm thanh của ống nhiệt:

v : khối lượng riêng của Pentane ở trạng thái hơi , kg/m3 r: nhiệt ẩn hóa hơi của Pentane , kJ/kg

K: Số mũ đoạn nhiệt Với Pentane, giới hạn âm thanh lớn hơn rất nhiều với giới hạn lôi cuốn

Giới hạn lôi cuốn của ống nhiệt:

0.13

0,25 2

Sơ đồ thuật toán

q smax > q o ?

q emax > q o ?

Nhập các thông số thiết kế:

- Kích thước dàn lạnh ban đầu

- Năng suất lạnh của dàn lạnh

Xác định nhiệt độ làm việc Lựa chọn môi chất

Lựa chọn vật liệu làm ống nhiệt Lựa chọn các kích thước ống

Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt của bộ ống nhiệt

Tính số ống, hàng ống

Tính tổn thất áp suất qua ống nhiệt

Tính giới hạn âm thanh Tính giới hạn lôi cuốn

- Kích thước dàn lạnh ban đầu

- Năng suất lạnh của dàn lạnh

o > q smax

q o >q emax

Tính lại bước ống thực tế Tính kích thước dàn lạnh mới Kết thúc chương trình thiết kế

2.4 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

2.4.1 KẾT QUẢ CHƯƠNG TRÌNH

Chương trình tính thiết kế bộ ống nhiệt được viết bằng ngôn ngữ lập

trình Visual Basic 6.0 Bằng cách thay đổi các dữ liệu đầu vào ta có thể xác định được các thông số cần thiết của ống nhiệt tương thích với dàn lạnh cần tính Dưới đây là giao diện của chương trình (Hình 1)

Hình 5 Giao diện chính của chương trình

Hình 6 Thông số kỹ thuật của một số máy lạnh SANYO Với các thông số của dàn lạnh của loại máy 244, chương trình cho kết quả như sau:

Hình 7 Kết quả chương trình tính cho loại máy lạnh 144 của SANYO

Hình 8 Các thông số kỹ thuật của một số máy lạnh REETECH Với các thông số của loại dàn lạnh RRE 36-L của REETECH, chương trình cho kết quả như sau:

Hình 9 Kết quả chương trình tính cho loại dàn lạnh RRE-36L của REETECH

Type Single Split Wall Mounted: LS-H186TGM3

Hình 11 Kết quả chương trình tính cho loại máy LS-H186TGM3 của LG

2.4.2 TÍNH KHOA HỌC

Chương trình đã đưa ra các thông số động học, hình học của ống nhiệt tương thích với loại dàn lạnh cần lắp ống nhiệt

2.4.3 KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI VÀO ỨNG DỤNG THỰC TẾ

Phần mềm tính toán này có thể làm cơ sở cho việc chế tạo hệ thống ĐHKK kết hợp ON thực tế nhằm góp phần sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả Từ các dàn lạnh sẵn có của mình, các nhà sản xuất máy lạnh có thể sử dụng chương trình này để chỉnh sửa thiết kế dàn lạnh lại để gắn thêm ống nhiệt nhằm tăng hiệu suất của máy lạnh Chương trình này cũng có thể sử dụng trong việc giảng dạy sinh viên chuyên ngành “Công nghệ nhiệt – điện lạnh” của trường ĐHSPKT TP Hồ Chí Minh, cho sinh viên định lượng được một con số cụ thể về hiệu quả sử dụng ống nhiệt trong điều hòa không khí,

PHẦN 3: KẾT LUẬN 3.1 KẾT LUẬN

Đề tài đã được thực hiện tương đối hoàn chỉnh, đã đưa ra được một chương trình tính toán thiết kế bộ ống nhiệt trọng trường loại trơn dùng trong hệ thống điều hòa không khí Đề tài đã hoàn thành nhiệm vụ đề ra

3.2 ĐỀ NGHỊ

Chương trình được viết dựa trên các tài liệu về ống nhiệt cũng như các thiết bị truyền nhiệt Tuy nhiên, chương trình này cũng chỉ dừng lại ở mức độ lý thuyết Nhóm tác giả mong các cấp tạo điều kiện để chúng tôi có thể kiểm tra lại mức độ chính xác của chương trình này

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] D.A Reay, P.A Kew – Heat pipes – Elsevier’s Science and

Technology Rights, 2006

[2] Đặng Thành Trung – Khả năng ứng dụng hệ thống điều hòa không khí kết hợp ống nhiệt trong điều kiện các tỉnh phía Nam Việt Nam –

Tạp chí Sư phạm kỹ thuật, ĐH SPKT TpHCM số 3, 2007

[3] Hoàng Đình Tín - Truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt -

Trường đại học Bách khoa Tp.HCM, 1998

[4] Bùi Hải - Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt - NXB Giao

thông Vận tải, Hà Nội 2002

[5] Wayne C.Turner - Energy Management Handbook - A Wiley,

Interscience Publication, 1982

[6] Trần Văn Vang – Nghiên cứu tính chất nhiệt chưa tới hạn và tới hạn của ống nhiệt trọng trường có bộ tách dòng kiểu giao pha, luận án

tiến sĩ kỹ thuật – Đại học Đà nẵng 2004

[7] Một số Website từ internet:

Private Sub Command1_Click()

L1 = Val(Text1(0).Text) 'Nhap so trong Textbox1

W1 = Val(Text2(0).Text) 'Nhap so trong textbox2

Loop Until (s11 >= dng And s11 <= 100)

'************************************************************* lap = 1

Do

i3 = 61 'Entanpy cua diem 3, kJ/kg

i33 = 55 'Entanpy cua diem 3', kJ/kg

i4 = 35 'Entanpy cua diem 4, kJ/kg

i44 = 40 'Entanpy cua diem 4', kJ/kg

V = qo / (0.00121 * (i3 - i4)) 'Luu luong gio qua dan lanh, l/s

qo1 = 0.00121 * V * (i3 - i33) 'Luong nhiet nhan tu ong nhiet

qo2 = 0.00121 * V * (i33 - i4) 'Nang suat lanh khi co lap ong nhiet

hs = ((qo - qo2) / qo) * 100

dc = dng * 1.3 'Duong kinh ngoai cua canh

dentac = 0.5 'Chieu day canh 0.5 mm

s2 = s1 'Buoc ong cua phan ngung

s22 = s11 'Buoc ong cua phan bay hoi

tc = 3 'Khoang cach giua cac canh 3 mm

nc = Round(H1 / tc) 'So canh tren 1 ong

'TINH CHAT CUA PENTANCE o 20 oC

rope = 625.5 'Khoi luong rieng cua pentane o trang thai long, kg/m3 ropev = 2.2 'Khoi luong rieng cua pentance o trang thai hoi

xichma = 0.0158 'Luc cang be mat cua pentance

r = 366.9 'Nhiet an hoa hoi cua pentance, kJ/kg

lanhdape = 0.138 'W/mk

mipe = 0.242 'Do nhot cua pentance, cp

'TINH KET CAU PHAN NGUNG -

'Tinh he so toa nhiet doi luu anhpha ve phia khong khi

tf1 = 15.5 'Nhiet do trung binh cua khong khi

ro1 = 1.223 'Noi suy cac tinh chat vat ly cua khong khi o 15.5 oC cp1 = 1.005