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

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

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC 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 sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH 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

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

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

MỤC LỤC

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU

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

2.1.3 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

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

3.1.2 Nguồn nhiên liệu sử dụng 22

3.1.3 Nhiên liệu tiêu thụ và nhiệt độ khói thải theo tải 23 3.2 NHU CẦU SỬ DỤNG NHIỆT TẠI KHU NGHỈ MÁT 23

3.2.2 Nhu cầu điều hoà không khí 27

CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN CÁC PHƯƠNG ÁN THU HỒI NHIỆT

4.1 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ NGUỒN NHIỆT THẢI 33

4.1.3 Nhiệt độ đọng sương của khói 33 4.1.4 Nhiệt lượng thu hồi từ khói thải 34

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

4.3.2 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

4.3.3.4 Kết quả tính 64 4.4 KHẢ NĂNG CHẠY MÁY LẠNH HẤP THỤ 68

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

CHƯƠNG V ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN

CHƯƠNG VI KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

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

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

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

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

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

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

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

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 thải

- 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:

Nhiệt thế cao Khí thải từ nhà máy luyện Nickel

Khói thải từ lò nấu thủy tinh Khí thải nhà máy luyện thép Khí thải từ nhà máy luyện kẽm Khí thải từ nhà máy luyện đồng Khí thải từ nhà máy luyện nhôm Khí thải lò đốt các chất thải rắn

trung bình

Khí thải tuabin khí Khói thải ĐCĐT Khói thải lò hơi

400 - 550

350 - 500

250 - 300 Nhiệt thế thấp Nước làm mát lò tôi kim loại

Nước làm mát ĐCĐT Nước ngưng tụ từ các quá trình sản xuất Nước giải nhiệt bình ngưng của máy lạnh và hệ thống ĐHKK

Nước làm mát máy nén

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 lỏng-nước 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)

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)

hơi nước

Khói ra Nhiên liệu Không

khí

G Turbo

Hình 2.1 Nguồn nhiệt thải có thể tận dụng ở ĐCĐT

Ơû 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

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

G Động cơ

Bộ thu hồi nhiệt

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

Ơû hệ thống phát điện, ĐCĐT làm quay máy phát điện, tạo ra điện và đưa lên mạng lưới Ơû 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

Động cơ Máy phát

Lò hơi

Bộ thu hồi nhiệt

Thùng nước cấp Nhiên liệu

Nhiên liệu

Nước

Hơi / Nước nóng

Nước ngưng Khói ra

G

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

Nhiên liệu

Bao hơi

G Máy phát

Khói ra

Thùng chứa nước cấp

Hơi nước

Bộ thu hồi nhiệt Nước ngưng

Ơû 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

hấp thụ

Nước lạnh

Khói ra Bộ thu hồi nhiệt

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

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

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

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

Ơû 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

Nhiên liệu tiêu thụ (l/h) 99.7 168.6 235.3 304.4 327.3

Nhiệt độ khói thải (0C) 321 410 465 502 513 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

Đồng hồ đo lưu lượng

Thùng chứa nước cấp bổ sung

Nước nóng đi

Nước nóng hồi về

Hơi nước từ lò hơi

Nước ngưng

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

đẩy của bơm Ơû 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

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

đông hơn nên nhu cầu sử dụng nước nóng tăng cao đến 80-90 m3/ngày Cũng từ

nhu cầu nước, chúng tôi xác định tỉ lệ so với mức trung bình như Bảng 3.2

Bảng 3.2 Tỉ lệ nước nóng sử dụng so với trung bình

Nhu cầu nước nóng (6 tháng) Lưu lượng (m 3 /ngày) Tỉ lệ (%)

3.2.2 NHU CẦU HƠI NƯỚC BÃO HOÀ

+ Sơ đồ hệ thống sản xuất hơi bão hoà: (Hình 3.3)

Lò hơi 2

Lò hơi 1

Bình góp hơi

Thùng nước cấp

Hơi đến giặt, ủi

Hơi đến nấu nước nóng

Nước cấp bổ sung

Nước ngưng từ nấu nước nóng

Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống sản xuất hơi bão hoà

+ Hoạt động của hệ thống: Nước cấp cho lò hơi được chứa trong thùng

nước mềm Nước vào thùng nước mềm sẽ có 3 nguồn chính sau:

- Nước bổ sung lấy từ thùng chứa nước lạnh (đã qua lọc than hoạt tính) được bơm xử lý nước bơm qua cột trao đổi Cation, các ion dương tạo nên độ cứng của nước sẽ bị giữ lại, làm độ cứng nước giảm xuống hay nước được làm mềm Nước mềm sẽ chảy bổ sung vào thùng chứa nước mềm

- Nước ngưng từ thùng nấu nước: Sau khi TĐN với nước, làm nước nóng lên, hơi nước được ngưng tụ và qua các cụm van tách nước ngưng tụ động chảy về thùng chứa nước mềm Do hơi từ lò hơi sinh ra phần lớn là để nấu nước nóng nên lượng nước ngưng hồi lưu gần bằng với lượng hơi sinh ra Đây là lượng nước tuần hoàn chủ yếu nên sẽ bớt tải cho hệ thống trao đổi Cation do lượng nước bổ sung là ít, nước ngưng lại là nước đã qua xử lý nên làm tăng tuổi thọ của lò hơi

- Nước ngưng từ bình góp hơi: để tách nước ngưng ra khỏi hơi, dưới bình góp hơi có trang bị cụm van tách nước ngưng tự động Cụm van này đảm bảo để hơi nước mang đi sử dụng là hơi khô, và tăng được quá trình trao đổi nhiệt của các thiết bị sử dụng hơi nước Nước ngưng này được đưa về lại thùng nước mềm

+ Nhu cầu về hơi nước:

Do điều kiện hệ thống thiết bị hiện tại không có lắp đặt đồng hồ đo lưu lượng hơi sản xuất từ lò hơi Nên ở đây, chúng tôi tính gần đúng lượng hơi sản xuất ra dựa theo thông số hơi và lượng nhiên liệu tiêu thụ như sau:

- Thông số hơi yêu cầu: sử dụng tại KNM, hơi bão hoà có thông số áp lực hơi ph = 5barg

- Lượng dầu DO cho lò hơi trung bình khoảng 600 lít/ngày (Phụ lục VI)

- Hiệu suất của lò hơi công nghiệp đạt khoảng ηl = 0,80

Nên có thể tính lượng hơi sản xuất được: D = 7 tấn/ngày =300 kg/h

3.2.3 ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ :

Hệ thống ĐHKK ở KNM Hòn Tre có sử dụng cả hệ thống điều hoà trung tâm và riêng lẻ dạng cục Hệ thống điều hoà trung tâm đang sử dụng các thiết bị của hãng Train có công suất 3 hệ thống x 500 tấn lạnh Bình thường chỉ hoạt động 1 hệ thống, luân phiên thay đổi mỗi ca vận hành

Đối tượng sử dụng ĐHKK trung tâm là các phòng khách có số lượng

224 phòng x 2 khách/phòng Năng suất lạnh của hệ thống lắp đặt đang sử dụng khoảng 500 tấn lạnh tương ứng khoảng 1750 kW Công suất điện tiêu thụ của hệ thống điều hoà chiếm khoảng 60% lượng điện tiêu thụ của toàn bộ KNM

Do không có điều kiện thống kê nhu cầu điều hoà theo từng thời điểm, nên

ở luận văn này chúng tôi tính toán theo công suất vận hành hiện tại là 500 tấn lạnh

3.3 ĐỀ NGHỊ CÁC PHƯƠNG ÁN TẬN DỤNG NHIỆT THẢI

Từ nhu cầu tiêu thụ nhiệt tại khu nghỉ mát và lượng nhiệt thải có sẳn có thể đưa ra 3 phương án tận dụng nhiệt thải từ động cơ đốt trong để góp phần tiết kiệm và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng như sau:

Phương án 1: Cung cấp nước nóng

Nhiệt thải thu hồi từ ĐCĐT đưa vào bộ trao đổi nhiệt để gia nhiệt cho nước, tạo ra nước nóng đáp ứng nhu cầu tiêu thụ nước nóng tại khu nghỉ mát Phương án này được thực hiện sẽ tiết kiệm lượng hơi nước để gia nhiệt nước nóng, đồng thời giảm lượng dầu DO đang sử dụng cho lò hơi

Sơ đồ hệ thống: được trình bày trên Hình 3.4

Để hạn chế việc bám cáu cặn bên trong ống thiết bị TĐN nên nước nóng sinh hoạt (nước nóng thứ cấp) không thể sản xuất trực tiếp từ nhiệt khói thải, mà phải qua hệ thống nước nóng khép kín (nước nóng sơ cấp) làm chất tải nhiệt

trung gian từ nhiệt khói thải đến nước nóng cần sản xuất

Thùng chứa

Động cơ

Thiết bị gia

nhiệt sơ cấp

Nước nóng đi

Nước cấp bổ sung Nước nóng hồi

Thiết bị gia nhiệt thứ cấp

Hình 3.4 Sơ đồ sản xuất nước nóng từ khói thải ĐCĐT

Hệ thống gồm có 2 vòng tuần hoàn nước nóng:

+ Vòng sơ cấp (vòng tuần hoàn kín): Nước đã qua xử lý sạch, không có khả năng gây bám cáu cặn, được bơm tuần hoàn đưa vào thiết bị gia nhiệt nước nóng sơ cấp Nước nóng này là nguồn nhiệt để gia nhiệt cho thiết bị gia nhiệt nước nóng thứ cấp Việc chọn khoảng nhiệt độ nước nóng vòng sơ cấp dựa trên

cơ sở diện tích truyền nhiệt của thiết bị gia nhiệt thứ cấp vừa phải, nếu chọn nhiệt độ quá thấp thì cần thiết bị có diện tích truyền nhiệt lớn, nếu chọn nhiệt độ quá cao thì thiết bị có diện tích truyền nhiệt bé hơn nhưng đòi hỏi thiết bị phải có độ bền cao

+ Vòng thứ cấp (vòng tuần hoàn hở): Nước nóng sản xuất ra có nhiệt độ

550C được đưa đến các hộ sử dụng, phần nước nóng chưa được sử dụng do tổn thất nhiệt ở đường ống dẫn nên nhiệt độ sẽ giảm xuống thấp hơn so với yêu cầu nên phần nước này sẽ được hồi lại để gia nhiệt đến nhiệt độ yêu cầu

Do có một phần nước nóng đã được sử dụng nên cần bổ sung một lượng nước từ nguồn nước bổ sung có nhiệt độ thấp hơn từ bên ngoài hệ thống

Phương án 2: Sản xuất hơi bão hoà

Nhiệt thải thu hồi từ ĐCĐT đưa vào thiết bị HRSG để sinh hơi nước Hơi nước sinh ra đáp ứng cho nhu cầu hơi cho giặt, là, và gia nhiệt nước để cung cấp nước nóng Phương án này nguồn nhiệt thải được sử dụng để thay thế lò hơi đang sử dụng, tiết kiệm được lượng dầu DO sử dụng cho lò hơi

Sơ đồ hệ thống: được trình bày trên Hình 3.5

12

2

8 10

7

6 5

3

4

1

1 Động cơ đốt trong

2 Bộ thu hồi nhiệt thải

3 Dàn ống sinh hơi

4 Dàn ống hâm nước

5 Bao hơi

6 Thiết bị đun nước nóng

7 Bình chứa nước cấp

8 Đường nước bổ sung

9 Bơm tuần hoàn

10 Bơm nước cấp

11 Đường hơi đến giặt, ủi

12 Đường khói ra

Hình 3.5 Sơ đồ sản xuất hơi nước bão hoà từ khói thải ĐCĐT

Khói sau khi ra khỏi động cơ (1) được đưa vào bộ thu hồi nhiệt thải (2) Bộ thu hồi nhiệt gồm có các dàn ống sinh hơi (3) bố trí bên dưới làm nhiệm vụ sinh hơi nước và các dàn ống hâm nước (4) bố trí phía trên có nhiệm vụ gia nhiệt một phần nước cấp trước khi cấp vào bao hơi (5) Hơi sinh ra được cấp cho thiết bị đun

nước nóng (6) và các thiết bị giặt, ủi Nước ngưng sau khi ra khỏi thiết bị sản xuất nước nóng được đưa về bình chứa nước cấp (7), các thiết bị giặt ủi sử dụng hơi trực tiếp nên không có thu hồi nước ngưng, nên cần bố trí thêm đường nước cấp bổ sung (8) Nước cấp vào thiết bị nhờ bơm cấp nước (10), bơm (9) để tăng cường tuần hoàn cho hệ thống

Phương án 3: Chạy máy lạnh hấp thụ

Nhiệt thải từ động cơ đưa vào bộ thu hồi nhiệt để sản xuất hơi nước Hơi sinh ra được sử dụng để làm nguồn nhiệt cho bình phát sinh của máy lạnh hấp thụ, để đáp ứng nhu cầu về điều hoà không khí Phương án này góp phần giảm được lượng điện năng tiêu thụ cho điều hoà không khí, đồng thời giảm lượng dầu

DO tiêu thụ cho máy phát điện

Sơ đồ hệ thống: được trình bày Hình 3.6

Nhiệt từ khói thải động cơ tận dụng để sản xuất hơi nước bão hoà Hơi sinh

ra tập trung ở bình góp hơi, sau đó được đưa vào bình phát sinh của MLHT

Nước làm lạnh Máy lạnh hấp thụ

Bình góp hơi

Lò hơi hổ trợ

Nước ngưng ra

Hơi vào bình phát sinh Lò hơi thu hồi

nhiệt thải

Động cơ

Hình 3.6 Sơ đồ hoạt động máy lạnh hấp thụ từ khói thải ĐCĐT

Lò hơi hổ trợ được lắp đặt để đảm bảo quá trình làm việc ổn định khi nguồn nhiệt từ khói thải không đáp ứng đủ nhu cầu hoặc khi tải động cơ thay đổi Nước ngưng được tập trung ở bình chứa nước cấp để cấp cho các lò hơi

Có thể tóm tắt các phương án như sau:

Hơi bão hòa(p = 6 bar)

Nước nóng(t =1300C )

Hơi bão hòa(p = 6 bar)

Cung cấp nước nóng(t =550C )

Hơi cho giặt, là, ủi,…

Cung cấp nước nóng(t =550C )

Máy lạnh hấp thụ Nguồn nhiệt thải

Hình 3.7 Các phương án tận dụng nhiệt thải từ ĐCĐT

CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN CÁC PHƯƠNG ÁN THU HỒI NHIỆT THẢI

Từ điều kiện nhu cầu thực tế tại KNM và nguồn nhiệt thải hiện có, chúng tôi tiến hành tính toán để bước đầu đánh giá mức độ tận dụng nguồn nhiệt thải và các phương án ứng dụng nguồn nhiệt thải đó một cách hiệu quả Chương này trình bày các bước tính toán cụ thể như sau:

- Xác định thông số nguồn nhiệt thải

- Phương án sản xuất nước nóng

- Phương án sản xuất hơi bão hoà

- Khả năng chạy MLHT

4.1 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ NGUỒN NHIỆT THẢI

4.1.1 Lưu lượng khói thải:

Do ở các bảng các thông số kỹ thuật của động cơ nhãn hiệu Mitsubishi đang khảo sát không cho biết số liệu về lưu lượng khói thải, nên chúng tôi tiến hành khảo sát các động cơ của các hãng khác có thông số kỹ thuật tương đương

(Phụ lục II ) để lấy giá trị về lưu lượng khói thải ra từ ĐCĐT là G k = 6000 kg/h

4.1.2 Trở lực đường khói:

Từ thông số kỹ thuật đã cho của động cơ, trở lực đường khói lớn nhất cho

phép là [∆p]= 12 in H 2 O =3000 Pa

4.1.3 Nhiệt độ đọng sương của khói thải:

Từ đặc điểm của nhiên liệu (Phụ lục III) ta thấy hàm lượng lưu huỳnh (S) có trong nhiên liệu dầu diesel đang sử dụng là 0,445% khối lượng nhiên liệu, theo tiêu chuẩn dầu DO thương mại cho phép hàm lượng lưu huỳnh đến 0,5%, căn cứ vào đồ thị (Hình 4.1) ta thấy nhiệt độ đọng sương khói thải là ts =1100C

Để ngăn ngừa phản ứng: SO3 + H2O = H2SO4 xảy ra trong các kênh dẫn khói hay tại các bề mặt TĐN khi vận hành non tải Ta chọn nhiệt độ khói ra khỏi bộ thu hồi nhiệt là tkmin = 1300C

Nhiệt độ đọng sương của nước tinh khiết

Nhiệt độ đọng sương của khói

Hình 4.1 Đồ thị xác định nhiệt độ đọng sương của khói theo hàm

lượng S trong nhiên liệu [15]

4.1.4 Nhiệt lượng có thể thu hồi từ khói thải:

Theo ghi nhận phụ tải của động cơ nghiên cứu, phụ tải thay đổi trong khoảng từ 70-90%, nên tải tương đối đồng đều Đây là ưu điểm của việc nghiên cứu tận dụng nhiệt thải của động cơ này để đáp ứng các nhu cầu về nhiệt

Từ bảng nhiệt độ khói thải thay đổi theo tải ở mục 3.1.3, chúng ta chọn nhiệt độ khói thải ra khỏi ĐCĐT để đưa vào bộ thu hồi nhiệt để thiết kế bộ trao đổi nhiệt là tkv = 4700C, tương ứng với chế độ tải của động cơ là 80%

Tra bảng thông số vật lý của khói, khoảng nhiệt độ khói là tk =130-4700C có nhiệt dung riêng trung bình cpk=1,174 kJ/kg.độ Nên nhiệt lượng có thể thu hồi từ khói thải là: Qk= Gk.cpk .(tkv - tkr)= 6000 x1,174 x(470 -130)/3600=665 KW

4.2 TÍNH TOÁN PHƯƠNG ÁN SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG

4.2.1 NHU CẦU VỀ NƯỚC NÓNG LỚN NHẤT

Ở mục 3.2.1 trình bày lưu lượng nước sử dụng trong ngày, tuy nhiên trong tính toán cần phải biết lượng nước nóng sử dụng mỗi giờ, bởi vì có lúc thì nhu cầu sử dụng nhiều, nhưng cũng có lúc không cần hoặc ít sử dụng Việc xác định tải đỉnh (lượng nước nóng cần nhiều nhất trong 1 giờ) dựa vào lượng nước bổ sung vào hệ thống cung cấp nước nóng mỗi giờ (theo số liệu thống kê Phụ lục V) Ở đây chúng tôi thể hiện dạng đồ thị cho tháng 7/2006 như sau:

Hình 4.2 Đồ thị tiêu thụ nước nóng theo giơ,ø tháng 7/2006

Từ đồ thị chúng ta xác định được giờ có nhu cầu sử dụng nước nóng nhiều

nhất là từ khoảng 16 - 20 giờ mỗi ngày

Cũng từ bảng số liệu nước nóng tiêu thụ từng giờ, chúng tôi xác định được

tỉ lệ lưu lượng nước nóng sử dụng trung bình theo từng giờ cho cả năm Hình 4.3

Từ biểu đồ chúng ta thấy lượng nước nóng sử dụng khi nhu cầu sử dụng cao nhất chiếm khoảng 6% lượng nước nóng sử dụng trong ngày

Hình 4.3 Đồ thị tỉ lệ nước nóng tiêu thụ theo giờ

Tương tự ta có thể tính được lượng nước nóng sử dụng vào giờ cao điểm của các ngày khác trong năm Như vậy, vào ngày cao điểm theo số liệu thống kê

ở Bảng 3.2 thì lượng nước nóng tiêu thụ lớn nhất Gmax = 94 m3/ngày thì nhu cầu nước nóng vào giờ cao điểm có thể tính là 94x6/100 = 5,65 m3/ h

4.2.2 TÍNH LƯỢNG NƯỚC NÓNG CÓ THỂ SẢN XUẤT ĐƯỢC:

Sơ đồ hệ thống sản xuất nước nóng:

4.2.2.1 Tính nhiệt độ nước vào thứ cấp t nvtc :

- Chọn lưu lượng nước tuần hoàn Gth > Gmax

Hệ số tuần hoàn:

Trong tính toán, thường chọn hệ số tuần hoàn n = 2 - 3

Ơû đây, chúng tôi chọn hệ số tuần hoàn n = 2,75

- Lưu lượng trung bình ở Bảng 3.2 là: Gtb=52m3/ngày=2,2 m3/h

Tính được lưu lượng tuần hoàn: Gth = 2,2 x 2,75 = 6 m3/h

Lưu lượng tuần hoàn Gth=6m3/h > lưu lượng sử dụng lớn nhất Gmax

=5,65m3/h, nên vẫn bảo đảm được nhu cầu lúc cao điểm

- Lưu lượng nước cần bổ sung: Gbs = Gth - Ghồi = Gtb

- Do tổn thất nhiệt trên đường ống dẫn nên nhiệt độ của nước hồi về sẽ bị giảm, thường độ giảm nhiệt độ này vào khoảng ∆t =15 - 200C

Ơû đây, chúng tôi chọn nhiệt độ nước hồi về: thồi = 55-15 = 400C

- Ta có PTCB nhiệt: Q = Qhồi = Qbs

Ghồi x Cpn x (thồi - tnvtc) = Gbs x Cpn x (tnvtc - tbs) Suy ra nhiệt độ nước nóng thứ cấp vào bình gia nhiệt nước nóng:

) ( hoi bs

th

tb bs

G

G t

4.2.2.2 Tính lượng nước nóng có thể sản xuất trực tiếp từ nguồn nhiệt:

Từ PTCB nhiệt: η.Q k =G n.C pn.(t nrtc −t nvtc)

Nhiệt độ nước cấp vào: tnvtc = 350C

Nhiệt độ nước ra (hộ sử dụng): tnrtc = 550C

Nhiệt dung riêng của nước: cpn = 4,18 kJ/kg.độ

Hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị: η = 0,98

Có thể tính lượng nước nóng sản xuất từ nguồn nhiệt thải ĐCĐT:

( ) x( ) kg h

x x t

t C

Q G

nrtc nrtc p

k

355518,4

360066598,0

4.2.3 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG

4.2.3.1 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ GIA NHIỆT SƠ CẤP

Mục đích: Tính toán sơ bộ kết cấu của thiết bị TĐN tận dụng nhiệt thải để

sản xuất nước nóng sơ cấp

a Chọn kiểu thiết bị

- Dạng lỏng-khí: Dòng chất lỏng (nước) chuyển động trong ống Dòng chất khí (khói) chuyển động bên ngoài ống Nước được gia nhiệt đến nhiệt độ yêu cầu Khói ra từ ĐCĐT, đi vào bộ TĐN bên ngoài các ống Khói bố trí đi bên ngoài vì khói có bụi và việc làm sạch bên ngoài dễ dàng hơn (Hình 4.5)

- Chọn ống truyền nhiệt có cánh và bố trí sole (Hình 4.6) do khói là môi chất có hệ số toả nhiệt đối lưu nhỏ, để tăng cường truyền nhiệt cần gắn thêm cánh về phía khói Vật liệu làm ống và cánh đều bằng thép có λ =46 W/m2.độ

Nước vào Nước nóng ra Khói ra

+ Thông số đầu vào (Input): Lưu lượng khói thải, nhiệt độ khói thải và các tính chất nhiệt động của khói

+ Thông số biến đổi (Variable): Tổn thất áp suất phía khói ∆p

+ Thông số đầu ra (Output): Kết cấu thiết bị gia nhiệt nước nóng sơ cấp

c Phương pháp tính toán

Từ PTCB nhiệt tìm nhiệt độ khói ra khỏi thiết bị

Dựa theo phương trình truyền nhiệt Q = k F∆t Tìm diện tích TĐN F Sau khi tìm được F, tiến hành xác định kết cấu thiết bị

Cuối cùng, tính trở lực qua thiết bị và so sánh với trở lực cho phép

d Các phương trình cơ bản sử dụng trong tính toán

Để tính toán cần PTCB nhiệt, phương trình truyền nhiệt, phương trình tính hệ số toả nhiệt α1 và α2, tổn thất áp suất phía khí: ∆p =

- Chọn đường kính ống và bước ống

- Chọn hệ số truyền nhiệt k

- Chọn chiều dài L và bề rộng W của thiết bị (dựa theo thiết kế tương tự đã biết trên cơ sở chọn sơ bộ vận tốc khí)

- Tính diện tích trao đổi nhiệt F , tính số hàng ống, số phần tử ống

- Tính trở lực phía khí Nếu ∆p quá lớn thì tăng L, W của thiết bị và tiến hành lặp lại trình tự tính

- Kiểm tra hệ số truyền nhiệt k (theo công thức thực nghiệm)

e2 Tính toán:

- Nhập các thông số về ống và cánh truyền nhiệt:

Đường kính ngoài của ống: dng (m)

Bố trí ống so le: bước ngang: s1 (m)

- Chiều cao cánh: h = 0,5(dc-dng) (m)

- Hệ số làm cánh (CT [1]/136):

c tr

ng c c

xs xd

d d

2 1

2

2 − +

=

- Số cánh trên 1m chiều dài ống là:

c c

s

- Diện tích phần không làm cánh trên 1 ống, m2: F0 = π x dng x tc x nc; (4-3)

- Diện tích phần có làm cánh trên 1 ống, m2:

( c ng) c c

ng c

2 2

24

- Diện tích mặt ngoài ống có cánh: F2 = F0 + Fc

- Đường kính tương đương của khe hẹp mà dòng khói đi ngang qua khe hở giữa

các ống và cánh được xác định ( CT [1]/118):

c c

c c ng

td

F F

n

F F d F d

- Nhập lưu lượng nước nóng cần sản xuất: Gn (m3/h)

Dựa theo nhu cầu nước nóng sử dụng tại khu nghỉ mát

- Tính lưu lượng nước nóng sơ cấp: Gnnsc (m3/h)

Dựa theo PTCB nhiệt của thiết bị gia nhiệt thứ cấp:

Gn1x cpnx(tnrsc-tnvsc).η = Gn2x cpnx(tnrtc-tnvtc)