Nghiên cứu hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng trong điều hòa không khí trung tâm để tiết kiệm điện năng

Tóm tắt luận văn thạc sĩ Bố trí nối tiếp các chiller sẽ giúp giảm độ chênh nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi trong từng chiller tuy nhiên làm tăng tổn thất áp suất nước, nhược điểm này sẽ đượ

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN MINH PHÚ

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CHILLER NỐI TIẾP NGƯỢC DÒNG TRONG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRUNG TÂM

ĐỂ TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG

Chuyên ngành: Công nghệ nhiệt

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2008

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 Bùi Ngọc Hùng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN MINH PHÚ Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 25-07-1983 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Công nghệ nhiệt

Khoá (Năm trúng tuyển): 2006

1- TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng trong điều hòa không khí trung tâm để tiết kiệm điện năng

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

- Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về bố trí chiller và hệ thống nước

- Nghiên cứu tính toán hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng đối với một loại chiller

- Xây dựng chương trình tính toán tối ưu các thông số vận hành

- Thiết lập mô hình thực nghiệm để kiểm chứng

- Nhận xét, kết luận và kiến nghị

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25-01-2008

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 28-11-2008

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Bùi Ngọc Hùng

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Lời cảm ơn

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến:

Thầy Bùi Ngọc Hùng đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu, phương tiện thí nghiệm, dành nhiều thời gian quý báo để đọc toàn bộ bản thảo và đóng góp nhiều ý kiến thiết thực cho luận văn

Ban chủ nhiệm và toàn thể quý thầy cô Bộ môn Công nghệ nhiệt lạnh – Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cả về cơ sở vật chất lẫn tinh thần trong suốt thời gian theo học và thực hiện luận văn thạc sĩ

Gia đình, người thân và bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn và khóa học cao học tại trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM

Tp.HCM, tháng 11 năm 2008

Nguyễn Minh Phú

Tóm tắt luận văn thạc sĩ

Bố trí nối tiếp các chiller sẽ giúp giảm độ chênh nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi trong từng chiller tuy nhiên làm tăng tổn thất áp suất nước, nhược điểm này sẽ được giải quyết khi tăng độ chênh nhiệt độ nước vào và ra khỏi hệ thống chiller khi đó lưu lượng nước sẽ giảm Bên cạnh đó với hệ thống nước lưu lượng sơ cấp thay đổi

sẽ làm giới hạn ảnh hưởng của tổn thất áp suất trong mọi chế độ giảm tải Luận văn nghiên cứu hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng lưu lượng thấp, nhiệt độ nước lạnh thấp, hiệu suất cao nhằm tiết kiệm điện năng bằng việc phân tích lý thuyết, nghiên cứu phương pháp tính toán ứng với một loại chiller cụ thể đó là chiller có bình ngưng ống nước nằm ngang có cánh ngắn về phía tác nhân lạnh R22, bình bốc hơi ống trơn nằm ngang R22 sôi trong ống, không có bình hồi nhiệt Kế tiếp luận văn xây dựng chương trình tính toán tối ưu các thông số vận hành như số chiller ghép nối tiếp, độ chênh nhiệt độ nước vào và ra, lưu lượng nước giải nhiệt và tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng một phần phương pháp tính toán

Danh mục một số ký hiệu

COP – Hệ số làm lạnh

cpnl – Nhiệt dung riêng của nước qua bình bay hơi, kJ/kg.K

dnc – Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt bình ngưng, m

dne – Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt bình bay hơi, m

Dc – Đường kính cánh, m

Dotl – Đường kính lớn nhất của chùm ống, m

Ds – Đường kính trong của vỏ bình, m

dtc – Đường kính trong của ống truyền nhiệt bình ngưng, m

dte – Đường kính trong của ống truyền nhiệt bình bay hơi, m

Fnc/m – Tổng diện tích bề mặt ngoài của một mét ống có cánh, m2/m

Fne – Diện tích truyền nhiệt về phía ngoài ống của bình bay hơi, m2

Ftc – Diện tích truyền nhiệt về phía trong ống của bình ngưng, m2

Ftc/m – Tổng diện tích bề mặt trong của một mét ống, m2/m

Fte – Diện tích truyền nhiệt về phía trong ống của bình bay hơi, m2

GR – Lưu lượng tác nhân lạnh, kg/s

i – Entanpi của tác nhân lạnh, kJ/kg

Lbc – Khoảng cách giữa hai vách ngăn, m

Lbch – Chiều cao cắt vách ngăn, m

lc – Chiều dài một ống truyền nhiệt bình ngưng, m

le – Chiều dài một ống truyền nhiệt bình bay hơi, m

Lsb – Khe hở giữa vỏ bình và vách ngăn, m

Ltb – Khe hở giữa ống truyền nhiệt và vách ngăn, m

nnt – Số chiller nối tiếp ngược dòng

N – Công suất máy nén, kW

Nk – Công suất bơm nước giải nhiệt, kW

N0 – Công suất bơm nước lạnh, kW

nze – Số hàng ống trong bình bay hơi

Prnl – Trị số Prandtl của nước qua bình bay hơi

qte – Mật độ dòng nhiệt về phía trong ống bình bay hơi, kW/m2

Q0 – Năng suất lạnh, kW

Qk – Năng suất bình ngưng, kW

Rc – Nhiệt trở cáu và vách ống bình ngưng, m2.K/W

Re – Nhiệt trở cáu và vách ống bình bay hơi, m2.K/W

Regn – Trị số Reynolds của nước qua bình ngưng

Renl – Trị số Reynolds của nước qua bình bay hơi

Sc – Bước cánh, m

Sm – Diện tích nước qua chổ hẹp nhất trong bình bay hơi, m2

t0 – Nhiệt độ bay hơi, oC

tk – Nhiệt độ ngưng tụ, oC

tgn – Nhiệt độ trung bình của nước qua bình ngưng, oC

tgnr – Nhiệt độ nước giải nhiệt ra khỏi bình ngưng, oC

tgnv – Nhiệt độ nước giải nhiệt vào bình ngưng, oC

tnl – Nhiệt độ trung bình của nước qua bình bay hơi, oC

tnlr – Nhiệt độ nước ra khỏi bình bay hơi, oC

tnlv – Nhiệt độ nước vào bình bay hơi, oC

twc – Nhiệt độ vách ống truyền nhiệt bình ngưng, oC

twe – Nhiệt độ vách ống truyền nhiệt bình bay hơi, oC

Vgn – Lưu lượng nước giải nhiệt, m3/s

Vnl – Lưu lượng nước lạnh, m3/s

W – Công nén đoạn nhiệt, kW

x – Độ khô của tác nhân lạnh vào bình bay hơi

∆ – Tổn thất áp suất nước qua bình bay hơi, kPa

η – Hiệu suất bơm nước

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1- COP của các loại máy nén và yêu cầu hiệu suất nhỏ nhất theo tiêu chuẩn

ASHRAE 90.1 và MEPS 2

Hình 1.2- Thành phần tiêu thụ điện hằng năm của hệ thống điều hòa không khí 3

Hình 1.3- Hệ thống một chiller 3

Hình 1.4- Hệ thống hai chiller lắp song song 4

Hình 1.5- Lắp nối tiếp bình bay hơi, lắp song song bình ngưng 5

Hình 1.6- Hệ thống hai chiller lắp nối tiếp ngược dòng 5

Hình 1.7- Tương quan nhiệt độ nước giải nhiệt, nước lạnh và nhiệt độ bay hơi, ngưng tụ trong hệ thống hai chiller ghép nối tiếp bình bay hơi và ghép song song bình ngưng.6 Hình 1.8- Tương quan nhiệt độ nước giải nhiệt, nước lạnh và nhiệt độ bay hơi, ngưng tụ trong hệ thống hai chiller ghép nối tiếp ngược dòng 7

Hình 1.9- Hệ thống lưu lượng không đổi với van 3 ngã 8

Hình 1.10- Hệ thống lưu lượng không đổi với van 2 ngã và van bypass 9

Hình 1.11- Hệ thống sơ cấp/thứ cấp 10

Hình 1.12- Hệ thống lưu lượng sơ cấp thay đổi 11

Hình 1.13- Chu trình máy lạnh và nhiệt độ trong bình ngưng và bình bay hơi 13

Hình 1.14- Cách xác định các thông số tối ưu của nước 14

Hình 1.15- Tương quan giữa công suất máy nén, bơm nước giải nhiệt và quạt tháp khi tăng độ chênh nhiệt độ nước 17

Hình 2.1- Chu trình máy lạnh 22

Hình 2.2- Đồ thị T-s 22

Hình 2.3- Tổn thất áp suất qua chùm ống 26

Hình 2.4- Tổn thất áp suất qua bình ngưng 33

Hình 3.1- Giao diện chương trình 35

Hình 3.2- Giao diện nhập số liệu 36

Hình 3.3- Hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng 39

Hình 3.4- Lưu đồ chương trình tính toán tối ưu hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng 39

Hình 3.4- Số liệu mô phỏng chiller 20ton 41

Hình 3.5- Công suất theo tnlcấp và tgncấp (2 chiller ghép nối tiếp) 42

Hình 3.6- Công suất theo tnlcấp (2 chiller ghép nối tiếp) 42

Hình 3.7- Công suất theo tgncấp (2 chiller ghép nối tiếp) 43

Hình 3.8- Công suất theo tnlcấp và tgncấp (3 chiller ghép nối tiếp) 44

Hình 3.9- Công suất theo tnlcấp (3 chiller ghép nối tiếp) 44

Hình 3.10- Công suất theo tgncấp (3 chiller ghép nối tiếp) 45

Hình 3.11- Công suất theo tnlcấp và tgncấp (4 chiller ghép nối tiếp) 46

Hình 3.12- Công suất theo tnlcấp (4 chiller ghép nối tiếp) 46

Hình 3.13- Công suất theo tgncấp (4 chiller ghép nối tiếp) 47

Hình 3.14- So sánh tổng công suất 48

Hình 3.15- So sánh lưu lượng nước 48

Hình 3.16- Số liệu mô phỏng chiller 15ton 50

Hình 3.17- So sánh tổng công suất 51

Hình 3.18- So sánh lưu lượng nước lạnh 52

Hình 3.19- So sánh lưu lượng nước giải nhiệt 52

Hình 4.1- Mô hình thí nghiệm và các vị trí đo 54

Hình 4.2- Chiller 55

Hình 4.3- Bình bốc hơi 56

Hình 4.4- Bình ngưng 56

Hình 4.5- Sơ đồ kiểm chứng 58

Hình 4.6- So sánh lưu lượng nước giải nhiệt 58

Hình 4.7- So sánh tổn thất áp suất 59

Hình 4.8- Hiệu chỉnh tổn thất áp suất nước qua bình ngưng 59

Hình 4.9- So sánh tổn thất áp suất nước qua bình ngưng sau khi hiệu chỉnh 61

Hình 4.10- So sánh nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ ngưng tụ 61

1.2.1- Hệ thống lưu lượng không đổi với van ba ngã

1.2.2- Hệ thống lưu lượng không đổi với van hai ngã và van bypass

1.2.3- Hệ thống sơ cấp/thứ cấp

1.2.4- Hệ thống lưu lượng sơ cấp thay đổi

1.3- Ảnh hưởng của lưu lượng nước đến điện năng tiêu thụ

1.3.1- Lưu lượng nước lạnh thấp

1.3.2- Lưu lượng nước giải nhiệt thấp

1.4- Hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng: Lưu lượng thấp, nhiệt độ

nước lạnh thấp, hiệu suất cao

2.3.1- Hệ số trao đổi nhiệt phía R22 sôi trong ống

2.3.2- Hệ số trao đổi nhiệt phía nước chảy qua chùm ống

2.3.3- Tổn thất áp suất nước qua bình bay hơi

2.4- Bình ngưng ống nước nằm ngang

2.4.1- Hệ số trao đổi nhiệt phía nước:

2.4.2- Mật độ dòng nhiệt về phía R22 qui về bề mặt trong của ống:

2.4.3-Tổn thất áp suất nước qua bình ngưng:

3.1- Giao diện chương trình

3.2- Kết quả mô phỏng

3.2.1- Chiller 20ton

3.2.1.1- Hai chiller ghép nối tiếp ngược dòng 3.2.1.2- Ba chiller ghép nối tiếp ngược dòng 3.2.1.3- Bốn chiller ghép nối tiếp ngược dòng 3.2.1.4- Nhận xét và thảo luận

4.3- So sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng trên máy tính

4.3.1- Lưu lượng nước giải nhiệt và tổn thất áp suất phía nước

4.3.2- Nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ ngưng tụ

Lý lịch trích ngang

Phụ lục

1 Hình ảnh thí nghiệm

2 Dữ liệu thí nghiệm

3 Catalog bơm nước

4 Mã nguồn chương trình mô phỏng

Chương 1:

TỔNG QUAN

Về mặt lý thuyết, năng lượng cung cấp cho máy lạnh là cơ năng nhưng trong thực tế năng lượng này chủ yếu là điện năng để tạo ra cơ năng của máy nén Điện năng tiêu thụ cho hệ thống điều hòa không khí chiếm tỷ lệ khá cao trong tổng số điện năng tiêu thụ cho công trình Đối với các khách sạn, tỷ lệ này chiếm trên dưới 40%, ví dụ ở khách sạn Park Hyatt Sài Gòn là 44,4%, khách sạn Victory là 65%, khách sạn Majestic

là 72%.1 Vì lý do đó, các nhà thiết kế và vận hành luôn tìm cách tăng hiệu suất hệ thống điều hòa không khí đặc biệt trong bối cảnh thiếu hụt năng lượng hiện nay

Công nghệ nén hơi dùng trong các chiller ngày nay đã đạt được hiệu suất vượt

xa so với cách đây vài thập kỹ Ngày nay, các chiller dùng máy nén ly tâm giải nhiệt bằng nước được ARI (Air conditioning & Refrigeration Institute) chứng nhận có COP (Coefficient Of Performance) lên đến 7,8 ở chế độ đầy tải, cao gấp đôi so với chiller cùng kiểu cách đây 30 năm Tương tự, máy nén trục vít COP cũng đạt 6,4, cải thiện hơn 80% so với cách đây 25 năm Hình 1.1 trình bày quá trình cải thiện COP của các loại chiller khác nhau và hiệu suất tối thiểu đối với các chiller lớn (năng suất lạnh lớn hơn 1055kW) của tiêu chuẩn ASHRAE 90.1 và MEPS (Minimum Energy Performance Standard) [17]

1 Nguồn: www.ecc-hcm.gov.vn

Hình 1.1- COP của các loại máy nén và yêu cầu hiệu suất nhỏ nhất theo tiêu chuẩn

ASHRAE 90.1 và MEPS

Cải thiện truyền nhiệt và công nghệ điều khiển cho phép các chiller ngày nay hoạt động với độ chênh nhiệt độ nước ra và nhiệt độ tác nhân lạnh nhỏ hơn Trong các chiller hiệu suất cao, độ chênh này nhỏ hơn 0,5K không phải hiếm thấy

Trong hình 1.2, tiêu thụ điện năng cho hệ thống lạnh trong năm 2006 ít hơn năm

1972 (đường kính biểu đồ lớn hơn), thành phần điện năng cho chiller cũng giảm còn 58% so với 73% COP tăng lên từ 4.0 đến 7.0

1.1- BỐ TRÍ CHILLER TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRUNG TÂM

1.1.1- Hệ thống một chiller

Hệ thống một

chiller thiết kế và vận

hành đơn giản nhất

nhưng hiệu quả cũng thấp

nhất Hơn nữa, khả năng

COP >7.0

1972

Hình 1.2- Thành phần tiêu thụ điện hằng năm của hệ thống ĐHKK [18]

Hình 1.3- Hệ thống một chiller.

nếu chiller giải nhiệt bằng không khí hoặc kiểu bay hơi nước

Hình 1.3 là sơ đồ một chiller hoạt động theo kiểu lưu lượng không đổi Bơm nước lạnh sơ cấp tuần hoàn nước lạnh qua chiller đến tải sau đó hồi về chiller Vòng tuần hoàn nước lạnh lưu lượng có thể không đổi hoặc thay đổi Hệ thống lưu lượng thay đổi làm tăng tính phức tạp cho hệ thống nhưng bù lại tiết kiệm công bơm đáng kể

1.1.2- Hệ thống nhiều chiller

Để dự phòng năng suất lạnh, trong thiết kế hệ thống HVAC hầu hết các kỹ sư thiết kế hai hoặc nhiều chiller Nhiều chiller sẽ có cơ hội cải thiện hiệu suất toàn bộ hệ thống khi tải lạnh giảm và giảm chi phí năng lượng vì tải lạnh biến đổi rất rộng, hệ thống nhiều chiller có thể hoạt động chỉ với một chiller, trong suốt thời gian đó không cần năng lượng để vận hành chiller thứ hai và các thiết bị phụ của nó

Có hai dạng lắp đặt hệ thống nhiều chiller là lắp song song và lắp nối tiếp:

1.1.2.1- Lắp song song

Lắp song song đang

được sử dụng phổ biến

trong các công trình điều

hòa không khí hiện nay

Hình 1.4 là sơ đồ hai

chiller mắc song song

Bơm nước lạnh tuần hoàn

nước lạnh qua hai chiller

đến tải và sau đó hồi về

chiller

Hình 1.4- Hệ thống hai chiller lắp song song

1.1.2.2- Lắp nối tiếp

Lắp nối tiếp là

một phương pháp lắp

khác của hệ thống

nhiều chiller Lưu

lượng qua mỗi chiller

là lưu lượng của toàn

độ, vì vậy năng lượng

tiêu tốn cho bơm

lượng tiết kiệm

được do chiller đặt trước (theo chiều đường nước lạnh) vận hành với nước lạnh có nhiệt độ cao hơn (dẫn đến nhiệt bốc hơi cao hơn) so với lắp song song

Hình 1.5- Lắp nối tiếp bình bay hơi, lắp song song bình

ngưng

Hình 1.6- Hệ thống hai chiller lắp nối tiếp ngược dòng

Để nâng cao năng lượng tiết kiệm được bù đắp phần năng lượng tiêu tốn do tổn thất áp suất tăng trong hệ thống chiller nối tiếp, bố trí nối tiếp ngược dòng giữa dòng nước lạnh và dòng nước giải nhiệt là phương pháp hiệu quả

Hình 1.7- Tương quan nhiệt độ nước giải nhiệt, nước lạnh và nhiệt độ bay hơi,

ngưng tụ trong hệ thống hai chiller ghép nối tiếp bình bay hơi và ghép song song bình ngưng

Hình 1.8- Tương quan nhiệt độ nước giải nhiệt, nước lạnh và nhiệt độ bay hơi,

ngưng tụ trong hệ thống hai chiller ghép nối tiếp ngược dòng

So sánh hình 1.7 và 1.8 [15] ta thấy nhiệt độ bốc hơi của hai trường hợp giống nhau nhưng nhiệt độ ngưng tụ trong chiller thứ hai trong cách lắp nối tiếp ngược dòng thấp nên tiết kiệm năng lượng hơn về phía chiller

1.2- HỆ THỐNG NƯỚC LẠNH

1.2.1- Hệ thống lưu lượng không đổi với van 3 ngã

Hệ thống lưu lượng không đổi (hình 1.9) là một sơ đồ thuộc dạng kinh điển trong lịch sử ngành điều hòa không khí, hệ thống này được áp dụng cho hầu hết các công trình cỡ nhỏ, tải lạnh hầu như không biến đổi hoặc biến đổi không đáng kể Lượng nước tuần hoàn trong hệ thống là không đổi trong toàn bộ quá trình vận hành Tuy nhiên, khi tải lạnh giảm xuống quá lớn (hiệu nhiệt độ đầu ra và đầu vào của nước Chiller chỉ từ 2 tới 3oC) thì chiller sẽ được tắt trong khi bơm nước lạnh vẫn hoạt động

để đưa nước lạnh tới các dàn lạnh trong hệ thống Điều này là hoàn toàn bất lợi về kinh

tế khi mà chiller liên tục

đổi trạng thái ON –

OFF gây phát sinh dòng

khởi động tiêu tốn điện

năng và giảm tuổi thọ

máy nén

Công suất lạnh

của các dàn lạnh được

thay đổi, phụ thuộc vào

cảm giác nhiệt của

người sử dụng theo

từng mùa cũng như theo

công năng của từng khu vực cấp lạnh, điều này đồng nghĩa với việc tải lạnh của hệ thống thay đổi liên tục theo thời gian Thay vì liên tiếp ON – OFF chiller người ta sử dụng van 3 ngã Van 3 ngã được lắp đặt tại các dàn lạnh với mục đích điều tiết lưu lượng nước lạnh đi qua dàn lạnh, hòa trộn nước lạnh cấp và nước lạnh hồi đạt tới một nhiệt độ cần thiết để sau khi không khí đi qua dàn ống sẽ đạt được nhiệt độ như mong muốn

Kiểu hệ thống này đã ra đời cách đây vài thập niên, hiện nay Việt Nam vẫn còn

sữ dụng phổ biến trong khi thế giới ít sử dụng vì mang những khuyết điểm không thể

bù đắp Điển hình là việc ON – OFF liên tục chiller và việc bơm nước lạnh phải vận hành liên tục, trong khi điện năng tiêu thụ bởi chiller và đặc biệt là bơm nước lạnh lại chiếm tới tỉ lệ khá cao trong tổng điện năng tiêu thụ toàn hệ thống

Hình 1.9- Hệ thống lưu lượng không đổi với van 3 ngã

1.2.2- Hệ thống lưu lượng không đổi với van 2 ngã và van bypass

Ở hệ thống này, thay vì lắp

van 3 ngã ở từng dàn lạnh, người ta

lắp van bypass trên đường bypass

Khi một hoặc một số dàn lạnh

ngưng hoạt động, van 2 ngã đóng

lại thì lượng nước thừa sẽ đi qua

đường ống bypass về đầu hút của

bơm

Mặc dù vậy, do lưu lượng

nước trong hệ thống là không đổi,

công suất bơm không đổi nên vấn

đề cải thiện hiệu quả kinh tế trong

việc sử dụng năng lượng vẫn chưa cải thiện

Hiện nay, một số công trình mới được thiết kế và đang thi công thì áp dụng hệ thống này tương đối nhiều

1.1.3- Hệ thống sơ cấp/thứ cấp (Primary-secondary (decoupled) systems)

Cải tiến hơn một chút với ý tưởng phải tiết kiệm được năng lượng tiêu tốn cho

hệ bơm nước thì hệ thống sơ cấp/thứ cấp hay còn gọi là hệ 2 vòng nước ra đời

Như hình 1.11, hệ này được chia thành 2 vòng nước, vòng sơ cấp chỉ dùng để cung cấp nước đi qua cụm chiller nên thường chỉ cần những bơm với cột áp nhỏ

Hình 1.10- Hệ thống lưu lượng không

đổi với van 2 ngã và van bypass

giảm điện năng

tiêu thụ) Khi đó hệ thống phải có đường bypass để duy trì lưu lượng nước qua chiller

là cố định, đường bypass này không có van nào hoặc có thể gắn van một chiều để chặn nước từ đầu hút của bơm sơ cấp dồn qua đầu hút của bơm thứ cấp

Lưu lượng thứ cấp dựa trên tải lạnh, đặc biệt lưu lượng thứ cấp duy trì chênh lệch áp suất cần thiết trong hệ thống Lưu lượng sơ cấp luôn lớn hơn hoặc bằng lưu lượng thứ cấp, lượng nước dư này sẽ qua đường bypass đến đường hồi và về chiller Trường hợp lưu lượng sơ cấp ít hơn lưu lượng thứ cấp, nước hồi sẽ qua đường bypass

và hòa trộn với lưu lượng sơ cấp đến công trình

Hệ thống này đã có khả năng tiết kiệm năng lượng cho hệ thống bơm tuần hoàn khi dùng biến tần ở đây, nhưng chúng ta phải thêm cả một hệ thống bơm khác, kèm theo đó là tiêu tốn nhiều chi phí phụ kiện kèm theo nó

Hình 1.11- Hệ thống sơ cấp/thứ cấp

Hệ thống này xuất hiện và được ứng dụng trên thế giới cách đây khoảng hơn một thập niên, ở Việt Nam có rất ít công trình được ứng dụng, mà phần lớn dùng một trong hai hệ thống đầu

flow systems)

Công nghệ ngày càng

được cải tiến liên tục thì

chiller ngày nay được sản

xuất đã có khả năng đáp ứng

cho phép được lưu lượng

nước đi qua nó thay đổi

trong một khoảng giới hạn

nhất định

Trong hệ thống này

chỉ còn một hệ bơm duy nhất

đi qua bình bay hơi của

chiller với các bơm dùng

biến tần điều khiển

Khi giảm tải thì chiller cùng bơm nước đều có khả năng giảm tải Van bypass trên đường ống bypass nhằm mục đích để duy trì lượng nước qua chller không được thấp hơn một giá trị thấp nhất mà nhà sản xuất chiller qui định

Các dàn lạnh sử dụng hệ thống van 2 ngã có cảm biến hiệu áp suất để điều khiển các bơm

Hình 1.12- Hệ thống lưu lượng sơ cấp thay đổi

1.3- ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG NƯỚC ĐẾN ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ

Thiết kế hệ thống nước dựa trên nhiệt độ nước lạnh cấp 6,7oC (44oF) và nhiệt độ nước giải nhiệt vào bình ngưng là 29,4oC (85oF) với lưu lượng nước lạnh 0,043L/s per

kW (2,4gpm/ton) và lưu lượng nước giải nhiệt 0,054L/s per kW (3gpm/ton) Nguồn

gốc của những thông số này là từ các điều kiện của ARI 550/590-2003 Standard for

performance rating of water-chilling packages using the vapor compression cycle và

tiêu chuẩn của Viện công nghệ lạnh (Cooling Technology Institute) về tỉ lệ và kiểm tra tháp giải nhiệt Trong khi các tiêu chuẩn này là thông số chuẩn về tỉ lệ, kiểm tra và chứng nhận khả năng của chiller và tháp giải nhiệt, chúng không có nghĩa là các thông

số tối ưu để thiết kế chiller

Nhiệt lượng trao đổi của nước tỉ lệ thuận với lưu lượng và độ chênh nhiệt độ: Q=Gcp ∆t, với cùng nhiệt lượng thì khi ta tăng độ chênh nhiệt độ ∆t, lưu lượng nước G

sẽ giảm Lưu lượng nước thấp sẽ giảm điện năng tiêu thụ cho bơm, tuy nhiên khi tăng

độ chênh nhiệt độ nước sẽ làm tăng chênh lệch áp suất nén và áp suất hút của máy nén dẫn đến tăng công suất cấp cho máy nén Hình 1.13 ta thấy khi giảm nhiệt độ nước lạnh ra khỏi bình bay hơi thì nhiệt độ bay hơi sẽ giảm hay khi tăng nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng thì nhiệt độ ngưng tụ tăng Nhiệt độ bay hơi giảm hay nhiệt độ ngưng

tụ tăng là không nên vì như thế sẽ làm tăng chênh lệch áp suất nén và áp suất hút của máy nén dẫn đến tăng công suất cấp cho máy nén

Những phân tích trên được thể hiện như hình dưới, khi tăng độ chênh nhiệt độ nước vào và ra khỏi bình bay hơi/bình ngưng thì công suất bơm nước giảm và công suất máy nén tăng, tổng của các công suất này sẽ cho giá trị cực tiểu khi xét đến toàn

hệ thống, tại đó cho ta các thông số nhiệt độ và lưu lượng nước tối ưu cần cài đặt

Hình 1.13- Chu trình máy lạnh và nhiệt độ trong bình ngưng và bình bay hơi

1.3.1- Lưu lượng nước lạnh thấp

Từ bảng 1.1 [17] ta thấy với lưu lượng thấp, để tải cùng năng suất lạnh thì đường ống có kích thước nhỏ hơn do đó giảm chi phí lắp đặt hệ thống phân phối nước

và giảm công suất bơm nước

Độ chênh nhiệt độ nước vào và ra khỏi bình bay hơi/bình ngưng

Hình 1.14- Cách xác định các thông số tối ưu của nước

Tối ưu

Độ chênh nhiệt độ nước lạnh, K

Công suất bơm, W/m

Bảng 1.1- Năng suất lạnh theo độ chênh nhiệt độ nước lạnh, đường kính ống

và công suất bơm

(Ghi chú: Công suất bơm dựa trên hiệu suất bơm 70% và hiệu suất động cơ

90%)

Các chiller ngày nay có thể sản xuất ra nước lạnh thấp cỡ 1oC mà không cần

glycol hỗ trợ [18]

1.3.2- Lưu lượng nước giải nhiệt thấp

Khi giảm lưu lượng nước giải nhiệt, bên cạnh công suất bơm giảm, đường ống nhỏ, mà còn mang lại nhiều lợi ích cho tháp giải nhiệt Xét một tháp giải nhiệt dùng

cho một chiller công suất 10000ton, nếu nhiệt độ nước vào tháp là 35oC và nhiệt độ nước ra khỏi tháp là 29.4oC thì lưu lượng nước là 1892L/s Tăng nhiệt độ nước vào tháp đến 40oC thì lưu lượng nước giảm còn 946L/s khi đó trọng lượng, kích thước, và quạt tháp sẽ giảm Bảng 1.2 trình bày kết quả so sánh hai tháp giải nhiệt cùng công suất nhưng khác lưu lượng:

Nhiệt độ nước vào tháp Nhiệt độ nước ra khỏi tháp Tháp giải nhiệt

Công suất quạt Diện tích Trọng lượng Lưu lượng nước

35oC 29.4oC

9 ô 370kW 502m2246,122kg 1892L/s

40oC 29.4oC

6 ô 245kW 334m2164,063kg 946L/s

Bảng 1.2- So sánh 2 tháp giải nhiệt cùng công suất, khác lưu lượng [18]

1.4- HỆ THỐNG CHILLER NỐI TIẾP NGƯỢC DÒNG LƯU

LƯỢNG THẤP, NHIỆT ĐỘ NƯỚC LẠNH THẤP, HIỆU SUẤT CAO

Hệ thống các chiller lắp nối tiếp xuất hiện vào những năm 1960 ở thủ đô Washington Hiện nay, với công nghệ biến tần áp dụng trong hệ thống lưu lượng sơ cấp thay đổi làm giới hạn ảnh hưởng của tổn thất áp suất nên hệ thống chiller nối tiếp được nghiên cứu áp dụng ngày càng nhiều Lắp nối tiếp có thể thực hiện được với tất

cả các loại chiller [14] Trong những năm gần đây có nhiều nghiên cứu về nối tiếp chiller và hệ thống lưu lượng thấp, điển hình như:

Năm 2002, Steve Groenke và Mick Schwedler công bố kết quả nghiên cứu về

Series-series counterflow for central chilled water plants trên tạp chí ASHRAE Bài

báo trình bày kết quả tính toán cho một công trình ở Mỹ có công suất lạnh 36900kW sử dụng 3 cụm chiller lắp song song, mỗi cụm có 4 chiller lắp nối tiếp ngược dòng, nước lạnh hồi ở nhiệt độ 12,8oC, nước lạnh cấp ở 2,8oC, nước giải nhiệt hồi từ tháp ở 29,4oC,

Độ chênh nhiệt độ nước vào và ra khỏi tháp

Hình 1.15- Tương quan giữa công suất máy nén, bơm nước giải nhiệt và quạt tháp

khi tăng độ chênh nhiệt độ nước

nước giải nhiệt cấp ở 37,2oC Với cách lắp và thông số vận hành như trên thì hệ thống tiếp kiệm được 11% so với hệ thống lắp song song cùng độ chênh nhiệt độ nước [10] Cũng trong năm 2002, tạp chí McQuay Engineering Solutions xuất bản bài báo

Series Chillers - What’s Old Is New Again của tác giả Hugh Crowther Bài bào trình

bày kết quả tính toán so sánh một cao ốc văn phòng ở Minneapolis có tải lạnh là 800ton ở nhiều khía cạnh khác nhau như: so sánh chọn lựa giữa cấu hình chiller nối tiếp và song song, so sánh năng lượng giữa cấu hình chiller nối tiếp và song song với lưu lượng sơ cấp không đổi, so sánh năng lượng giữa cấu hình chiller nối tiếp và song song với lưu lượng sơ cấp thay đổi [11]

Năm 2003, tại hội nghị quốc tế về tiết kiệm và hiệu quả năng lượng ở Hong

Kong, Donald Eppelheimer đã trình bày về Energy efficiency in North American

district cooling plants đề cập đến hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng lưu lượng nước

lạnh thấp, nhiệt độ nước lạnh thấp, hiệu suất cao [18]

Năm 2006, tạp chí EcoLibrium xuất bản bài báo Maximising chilled water plant

efficiency của tác giả Simon Ho, bài báo trình bày kết quả tính toán so sánh hiệu quả sử

dụng năng lượng cho một công trình có công suất lạnh 6000kW ở Sydney ở các chế độ lưu lượng và độ chênh nhiệt độ nước khác nhau trong đó kết quả trường hợp tối ưu ứng với trường hợp độ chênh nhiệt độ nước lạnh là 9,5K, độ chênh nhiệt độ nước giải nhiệt

là 7,6K tiết kiệm được 14,7% so với độ chênh 5,5K ở cả hai phía nước [17]

Hầu hết kết quả trình bày trong các bài báo trên sử dụng các phần mềm mô phỏng hệ thống HVAC hiện có như TRACE 700 của TRANE hoặc McQuay Energy AnalyzerTMcủa McQuay ứng với các sản phẩm của các công ty đó Dựa trên các bài báo đó luận văn tập trung nghiên cứu:

- Ở nhiệt độ nước lạnh cấp là bao nhiêu?

- Ở nhiệt độ nước giải nhiệt vào tháp là bao nhiêu?

- Số chiller lắp nối tiếp?

thì tổng công suất tiêu thụ của máy nén, bơm nước lạnh và bơm nước giải nhiệt là nhỏ nhất để sản xuất ra một đơn vị lạnh như trường hợp lắp song song truyền thống Luận văn nghiên cứu ứng với một loại chiller cụ thể với phương pháp nghiên cứu như sau:

- Xây dựng phương pháp tính toán hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng (Chương 2) trong đó điều quan trọng là ứng với chế độ nước đó thì nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi là bao nhiêu để tìm ra công suất máy nén

- Lập trình mô phỏng bằng MATLAB (Chương 3) để tìm ra các thông số vận hành tối ưu dựa trên cở sở phương pháp tính toán ở chương 2

- Thiết lập mô hình thực nghiệm ứng với chiller đã tính để kiểm chứng tính hợp

lý của phương pháp (Chương 4)

sở để lập trình mơ phỏng tối ưu các thơng số nước và kiểm chứng tính tốn bằng thực nghiệm Sơ đồ tính tốn được thể hiện như bên dưới:

CHO TRƯỚC:

Nhiệt độ nước vào/ra bình bay hơiNhiệt độ nước vào/ra bình ngưngLưu lượng nước lạnh

Thông số kết cấu bình ngưng và bình bốc hơi

CƠ SỞ TÍNH TOÁN:

Phương trình truyền nhiệtPhương trình cân bằng nhiệt

Trong phạm vi luận văn, chúng tôi chỉ tính công suất cần thiết để bơm nước qua bình ngưng và bình bốc hơi mà không tính bơm đáp ứng cho toàn bộ hệ thống Vì muốn thực hiện đầy đủ phải biết đặc điểm đường ống nước cấp/hồi của cả bình ngưng

và bình bốc hơi (Ví dụ: số lượng co, cút, tee, chiều dài ống …), điều này chỉ có thể thực hiện được đối với một trường hợp cụ thể Với cách tính của luận văn phù hợp với

hệ thống nước lạnh sơ cấp/thứ cấp khi đó luận văn tính cho cụm bơm sơ cấp hoặc phù hợp với tính công suất bơm nước tăng/giảm trong hệ thống lưu lượng sơ cấp thay đổi khi hệ thống chiller song song và nối tiếp sử dụng cùng độ chênh nhiệt độ nước vào và

ra khỏi bình ngưng và bình bay hơi, tức là cùng lưu lượng nước lạnh và nước giải nhiệt

2.2- CHU TRÌNH MÁY LẠNH

Chu trình máy lạnh dùng để tính toán được chọn phù hợp với thực nghiệm kiểm chứng Đó là chu trình máy lạnh nén hơi một cấp (Hình 2.1) sử dụng tác nhân lạnh là R22 Bình bay hơi ống trơn, R22 sôi trong ống Bình ngưng ống nước nằm ngang có cánh về phía R22 Ống trao đổi nhiệt trong bình ngưng và bình bay hơi bố trí trên các đỉnh của tam giác đều (bố trí so le) Không có bình hồi nhiệt, máy nén pittông Chu trình máy lạnh như hình 2.1 Xem tác nhân lạnh ra khỏi bình ngưng (vào van tiết lưu) ở trạng thái lỏng sôi, tác nhân lạnh ra khỏi bình bốc hơi (vào máy nén) ở trạng thái hơi bão hòa khô trong quá trình tính toán Hình 2.2 biểu diển chu trình trên đồ thị T-s

Hình 2.1- Chu trình máy lạnh

Năng suất lạnh: Q0 = GR(i1 – i3), kW

Năng suất bình ngưng: Qk = GR(i2 – i3), kW

Công suất nén đoạn nhiệt: W = GR(i2 – i1), kW

Hệ số tổn thất không thấy được

v’’ là thể tích riêng của hơi hút vào máy nén

pm là áp suất riêng ma sát, chọn pm= 0,5bar Công suất máy nén N = Ni + Nm

Hệ số làm lạnh

N

QCOP= 0

Trong đó GR [kg/s] là lưu lượng tác nhân lạnh tuần hoàn trong chu trình

Theo [3] nhiệt độ trong pham vi -6,7oC ÷ 48,9oC thì i1, i2, i3 có thể được tính theo công thức:

2.3.1- Hệ số trao đổi nhiệt phía R22 sôi trong ống αRe:

Mật độ dòng nhiệt về phía trong ống: qte =

te

F

Q0 (kW/m2) Trong đó Fte là diện tích trao đổi nhiệt phía trong ống; Fte = π dtelene

dte – đường kính trong của ống truyền nhiệt, m

le – chiều dài 1 ống truyền nhiệt, m

ne – tổng số ống trong bình bay hơi

Nếu q0i ≤ 3,5kW/m2 thì:

47

2 17

3 0 17

20

14

e R

we

z)x(Gt

' 4 3

ii

iix

5 3

5 0

e te

e R

, we

,

z)x(G)

tt(

2.3.2- Hệ số trao đổi nhiệt phía nước chảy qua chùm ống αnl:

Bỏ qua ảnh hưởng của phương hướng dòng nhiệt

Tốc độ nước qua chổ hẹp nhất

m nlr nlv pnl nl m

nl

QS

V

−ρ

dDDD

tp

ne otl otl s

Lbc- khoảng cách giữa hai vách ngăn, m

Ds- đường kính trong của vỏ bình, m

Dotl- đường kính lớn nhất của chùm ống, m

Ltp- bước ống, m

dne- đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m

tnlv, tnlr- nhiệt độ nước vào, ra khỏi bình bay hơi, oC

Prnl, ν , nl ρ , cnl pnl, λ lần lượt là trị số Prandtl, độ nhớt động học, khối nl

lượng riêng, nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt của nước, các thông số này được tra theo nhiệt độ trung bình của nước tnl = 0,5(tnlv + tnlr)

s

ε - hệ số xét đến ảnh hưởng của số hàng ống nze theo chiều chuyển động của

nước εz xác định theo bảng dưới

Mật độ dịng nhiệt phía nước qui về bề mặt ngồi của ống:

ne e

F

QR

)tt(

tt

tt

ln

tt

te we

QF

F)t

Fne là diện tích trao đổi nhiệt phía ngồi ống; Fne = π dnelene

2.3.3- Tổn thất áp suất nước qua bình bay hơi: (theo [19]) Tổn thất áp suất nước qua chùm ống trong bình bay hơi gồm tổn thất áp suất qua chùm ống ∆p1, tổn thất áp suất vùng cửa sổ ∆p2 và tổn thất áp suất ở cửa vào và ra ∆p3

như hình 2.3

Tổn thất áp suất ở cửa vào và ra

Tổn thất áp suất qua chùm ốngTổn thất áp suất vùng cửa sổ

ne tp

d/L

,b

7

, nl

Re,

b+

tp

s tcc

D

L L

D

866,0

Lbch- chiều cắt vách ngăn

Vận tốc khối lượng

m

nl nl