Nghiên cứu thiết kế mô hình máy lạnh hấp thụ h2o libr loại single effect

năm 2004 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HOÀNG THỊ NAM HƯƠNG Phái: Nữ Ngày tháng năm sinh: 21/01/1976 Nơi sinh: Hà Nội Chuyên ngành: Công Nghệ Nhiệt MSHVù: CNNH13.001 I-TÊN

Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HOÀNG THỊ NAM HƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY LẠNH HẤP THỤ H 2 O-LiBr LOẠI SINGLE EFFECT

Chuyên ngành : Công nghệ nhiệt Mã số ngành : 60.52.80

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp.HCM, ngày .tháng năm 2004

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: HOÀNG THỊ NAM HƯƠNG Phái: Nữ

Ngày tháng năm sinh: 21/01/1976 Nơi sinh: Hà Nội

Chuyên ngành: Công Nghệ Nhiệt MSHVù: CNNH13.001

I-TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu thiết kế mô hình thí nghiệm máy lạnh hấp thụ loại single

effect

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tổng quan về sự phát triển của máy lạnh hấp thụ H2O – LiBr trên thế giới và khả năng áp dụng tại Việt Nam

- Giới thiệu về máy lạnh hấp thụ

- Nghiên cứu tính toán lựa chọn qui mô kết cấu,dụng cụ đo, mô hình thực nghiệm

- Thiết kế mô hình và xây dựng bài thí nghiệm

- Một số vấn đề liên quan

III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 9/02/2004

IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 9/07/2004

V-HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP

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

Ngày tháng năm PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2004

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: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 1:

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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin gửi đến PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP lời cám ơn chân thành và sâu sắc nhất vì sự giúp đỡ rất tận tình và những lời đóng góp quí báu của PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP trong quá trình tôi thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô, đồng nghiệp trong Bộ môn Công nghệ nhiệt lạnh trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn

Tôi xin gửi lời biết ơn đến những người thân yêu trong gia đình và cám ơn bạn bè đã động viên, tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành tập luận văn này

TÁC GIẢ

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn “Nghiên cứu thiết kế mô hình thí nghiệm máy lạnh hấp thụ loại single

effect” được trình bày trong 5 chương gồm các phần: giới thiệu, tính toán thiết kế, xây

dựng bài thí nghiệm và một số vấn đề có liên quan

Máy lạnh hấp thụ single effect có cấu tạo loại hai vỏ (double shell) có dạng hình trụ nằm ngang Phần vỏ phía trên gồm có bộ phát sinh và bộ ngưng tụ, phần vỏ phía dưới gồm có bộ hấp thụ và bộ bốc hơi Ống được sử dụng trong hệ thống máy lạnh hấp thụ H2O – LiBr là ống đồng cupro-nikel 90/10

Hệ thống được cấp nhiệt từ nồi hơi gia nhiệt bằng điện trở Hơi cấp vào là hơi bão hoà khô có áp suất tuyệt đối là 1,5 bar Năng suất lạnh của hệ thống thiết kế là 50

kW, nước lạnh ra có nhiệt độ 70C Máy lạnh hấp thụ single effect giải nhiệt bằng nước với nhiệt độ nước giải nhiệt vào là 320C

Trong luận văn có khảo sát đến việc lựa chọn, sử dụng dụng cụ đo thích hợp để thí nghiệm có sai số nhỏ, đảm bảo độ chính xác khi thí nghiệm Cách bố trí các dụng cụ đo được biểu diễn trên mô hình

Trên cơ sở mô hình xây dựng được các bài thí nghiệm cơ bản và các bước thí nghiệm Mô hình thí nghiệm có thể thực hiện nhiều bài thí nghiệm nhưng với thời gian có hạn tác giả chỉ xây dựng 2 bài thí nghiệm chính : bài thứ nhất là thí nghiệm về tính năng máy lạnh hấp thụ LiBr-H2O Single effect, bài thứ hai là ảnh hưởng của nồng độ nước gia nhiệt đối với năng suất lạnh của máy

Dự kiến khi có kinh phí thực hiện hệ thống sẽ được lắp đặt tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ nhiệt lạnh Trường Đại Học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh

MỤC LỤC

Trang

Đặt vấn đề 1

Chương 1: Tổng quan về sự phát triển của máy lạnh hấp thụ H 2 O – LiBr trên thế giới và khả năng áp dụng tại Việt Nam 2 1.1 Tổng quan 2

1.2 Khả năng áp dụng tại Việt Nam và tận dụng nhiệt thải hoạt động trong máy lạnh hấp thụ 3

1.2.1 Khả năng áp dụng tại Việt Nam 3

1.2.2 Tình hình sử dụng nhiệt thải 3

Chương 2: Giới thiệu về máy lạnh hấp thụ 8

2.1 Khái quát các môi chất làm việc trong máy lạnh hấp thụ 8

2.2 Tính chất nhiệt vật lý của môi chất lựa chọn (LiBr) 9

2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 10

2.4 Mô tả toán học 14

Chương 3: Nghiên cứu tính toán lựa chọn qui mô kết cấu, dụng cụ đo, mô hình thực nghiệm 23

3.1 Chọn mô hình, qui mô 23

3.2 Tính toán nhiệt động và truyền nhiệt 23

3.3 Bố trí kết cấu 31

3.4 Bố trí dụng cụ đo 34

3.4.1 Đo nhiệt độ 38

3.4.2 Đo áp suất 39

3.4.3 Đo lưu lượng 43

3.4.4 Nguồn nhiệt cấp cho bộ phát sinh Chương 4: Thiết kế mô hình và xây dựng bài thí nghiệm 45

4.1 Thiết kế 45

4.1.1 Tính toán số lượng ống trong TBTĐN 45

4.1.2 Tính toán tốc độ trong TBTĐN 46

4.1.3 Tính toán tốc độ đường ống nối 47

4.1.4.Tính hệ số tỏa nhiệt đối lưu α 48

4.1.5 Kích thước mô hình 50

4.1.6 Tính sức bền vỏ 1 52

4.1.6 Tính sức bền vỏ 2 53

4.2 Xây dựng bài thí nghiệm 55

4.2.1 Bài thí nghiệm1: Thí nghiệm tính năng máy lạnh hấp thụ H2O – LiBr single effect 55

4.2.2 Bài thí nghiệm số 2: Aûnh hưởng nhiệt độ vào của nước giải nhiệt đối với máy lạnh hấp thụ H2O – LiBr single effect 62

4.3 Viết chương trình tính toán nhiệt dựa trên bài thí nghiệm 70

Chương 5: Một số vấn đề liên quan 75

5.1 Xây dựng qui trình công nghệ nạp môi chất, kiểm tra, chống kết tinh, cơ cấu xả khí không ngưng 75

5.1.1 Cách nạp dung dịch, kiểm tra 75

5.1.2 Hệ thống đề phòng kết tinh dung dịch LiBr H2O 76

5.1.3 Cơ cấu xả khí không ngưng 76

5.2 Phương pháp xử lý sự cố và quá trình lắp đặt 77

5.2.1 Phương pháp điều chỉnh lưu lượng hơi gia nhiệt 77

5.2.2 Những nguyên nhân xảy ra hiện tượng kết tinh khi khởi động tổ máy dung dịch H2O – LiBr 78

5.2.3 Kiểm tra trước khi đưa vào vận hành tổ máy lạnh hấp thu 79

5.2.4 Các bộ phận cần phải kiểm tra sau khi kiểm tra độ kín 79

5.2.5 Cách thức khởi động máy lạnh hấp thu H2O – LiBr

80

5.2.6 Khi tổ máy đang vận hành bình thường thì đột ngột

bị dừng thì phải làm thế nào 81

Kết luận 82

Kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo 83

Lý lịch trích ngang 84

Phụ lục 85

Tài liệu tham khảo 129

CÁC KÝ HIỆU

a – bội số tuần hoàn

C - nồng độ của dung dịch, nhiệt dung riêng, bề dày COP - hệ số sử dụng nhiệt

d - đường kính, suất tiêu hao hơi

D - lưu lượng tuần hoàn tác nhân lạnh, đường kính

F - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

f - bội số tuần hoàn bộ bốc hơi, bội số tuần hoàn bộ hấp thụ

g - gia tốc trọng trường

G - lượng tiêu hao hơi

i - entanpi

k - hệ số truyền nhiệt

L - chiều dài ống

m - khối lượng, số pass

N,n - số ống

p - áp suất

Pr – hệ số Prandl

Q, q - nhiệt lượng

r - nhiệt ẩn hóa hơi

Re – hệ số Reynolds

s – bước ống

S – bề dày

T, t - nhiệt độ

ts(p) - nhiệt độ bão hòa ứng với áp suất p

U - độ chênh nhiệt độ

TBTĐN – thiết bị trao đổi nhiệt

V – lưu lượng thể tích

Δ - sai số tuyệt đối

εx – sai số tương đối

α - hệ số toả nhiệt đối lưu

ρ- khối lượng riêng

σ - ứng suất

ζv – hệ số trở lực cục bộ

ĐẶT VẤN ĐỀ

- Ngành công nghệ nhiệt ngày nay đang ngày càng phát triển do nhu cầu trong sinh hoạt, do sự phát triển mới của công nghệ và sự cần thiết trong nhiều lĩnh vực công nghệ hiện đại Hiện nay nhiều trường Đại học phía Nam đã mở ngành này nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế của xã hội

- Đề tài: “ Nghiên cứu thiết kế mô hình thí nghiệm máy lạnh hấp thụ loại single

effect” được hình thành dựa trên các yếu tố:

1 Hiện nay các trường Đại học tại Việt Nam chưa có mô hình máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr phục vụ cho chuyên ngành Nhiệt Lạnh Đối với máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr muốn hiểu biết bản chất vấn đề phải đi từ loại cơ bản là single effect do đó ở đây tác giả chọn loại mô hình này

2 Qua mô hình thí nghiệm có thể đánh giá thêm tính năng của loại thiết bị này để có thể đưa vào sử dụng phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam

3 Mô hình xây dựng với mục đích phục vụ đào tạo và nghiên cứu cơ bản nên thiết kế theo loại single effect, giúp sinh viên nắm bắt vấn đề rõ ràng, làm nền tảng cho các loại thiết bị phức tạp hơn: double effect, triple effect Công nghệ máy lạnh có máy nén hơi đãù quen thuộc với các kỹ sư Việt Nam, tuy nhiên công nghệ máy lạnh hấp thụ H2O – LiBr vẫn còn là một công nghệ mới mẻ, các cán bộ kỹ thuật chưa quen và các tài liệu viết về vấn đề này còn rất ít và rời rạc Để phổ biến và khai thác tốt khả năng sử dụng cũng như tìm cách chế tạo trong tương lai (tận dụng nhiệt thải, ít phần quay, sử dụng điện ít …) nên cần phải xây dựng mô hình này ngoài mục đích đào tạo còn đem lại nhiều lợi ích khác

4 Nâng cao kỹ năng vận hành, sửa chữa thiết bị này hiện tại còn rất mới mẻ với Việt Nam

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY LẠNH

HẤP THỤ H 2 O-LiBr TRÊN THẾ GIỚI VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG

TẠI VIỆT NAM 1.1 Tổng quan:

Hiện nay trên thế giới đã có nhiều quốc gia sử dụng máy lạnh hấp thụ trong đó một số quốc gia đã có những nghiên cứu mạnh mẽ về máy lạnh hấp thụ là: Mỹ, Nhật, Nga, Trung Quốc

- Mỹ: nghiên cứu từ những năm 1930, 1945 sản xuất tổ máy lớn đầu tiên 523KW loại 1 cấp bốc hơi (single effect), loại hai cấp bốc hơi (double effect) cho ra tổ máy vào năm 1961 và sau này nghiên cứu loại đốt trực tiếp và loại hiệu suất cao Những nghiên cứu về máy lạnh hấp thụ phát triển mạnhtừ khủng hoảng dầu mỏ Các hãng sản xuất: Trane, Carrier, York

- Nhật Bản: từ năm 1959 Nhật đã sản xuất máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr, tổ máy 2 cấp bốc hơi sản xuất 1964 Nhật đã sản xuất tổ máy lớn nhất với công suất 10465 kW, đồng thời cũng sản xuất tổ máy nhỏ nhất có công suất

26 kW Hiện nay Nhật là nước sản xuất máy lạnh loại này vào hàng đứng đầu thế giới, được sử dụng nhiều trong nước cũng như xuất khẩu sang Mỹ (loại đốt trực tiếp) Các hãng sản xuất: Hitachi, Toshiba, Ebara, Sanyo, Yazaki

- Trung Quốc: năm 1966 sản xuất tổ máy đầu tiên tại Thượng Hải, năm 1982 sản xuất tổ máy 2 cấp bốc hơi Hiện nay Trung Quốc là nước sản xuất và sử dụng máy lạnh hấp thụ đứng thứ hai trên thế giới, ứng dụng rất nhiều trong công trình công cộng Tổ máy nhỏ nhất hiện nay phổ biến là 105 kW, tổ máy lớn có công suất là

5600 kW Hiện nay Trung Quốc có trên 35 hãng chuyên sản xuất loại máy lạnh này, các khách sạn và công trình công cộng lớn sử dụng rất nhiều

- Nga: Là nước nghiên cứu khá sớm chủ yếu dùng trong một số công trình công cộng

Xu hướng nghiên cứu hiện nay đang đi vào việc nâng cao hiệu suất, chế tạo nhỏ, gọn để có thể sử dụng rộng rãi

1.2 Khả năng áp dụng tại Việt Nam và tận dụng nhiệt thải sử dụng trong máy lạnh hấp thụ

1.2.1 Khả năng áp dụng tại Việt Nam:

Trong những năm gần đây, hệ thống máy lạnh hầp thụ đang là một đề tài nghiên cứu hấp dẫn Trước hết là do việc sử dụng các tác nhân lạnh trong máy lạnh hấp thụ không gây ảnh hưởng đến tầng ozôn và gây hiệu ứng nhà kính Đồng thời các hệ thống này có thể lấy nhiệt từ các nguồn nhiệt thừa hoặc năng lượng tái tạo và vì vậy sẽ giảm được nhu cầu về điện

Ở Việt Nam hiện nay việc sử dụng máy lạnh hấp thụ còn hạn chế chỉ có ở một số nhà máy dệt, siêu thị Việc sử dụng hạn chế này là do công nghệ mới và thói quen thường sử dụng máy lạnh có máy nén hơi của người tiêu dùng

Trong điều kiện Việt Nam thì việc sử dụng máy lạnh hấp thụ là rất phù hợp về các mặt chế tạo do chủ yếu là các thiết bị tĩnh, vận hành đơn giản, không cần điện năng mà có thể dùng các nguồn năng lượng khác thay thế (than, củi, khí đốt, …) hoặc tận dụng nhiệt thải để chạy máy Việc tận dụng nhiệt thải để vận hành máy lạnh hấp thụ sẽ góp phần cải thiện, bảo vệ môi trường, đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng

1.2.2 Tình hình sử dụng nhiệt thải:

Một phương pháp tiết kiệm năng lượng là tận dụng nhiệt từ hệ thống Cogeneration Lượng nhiệt thải từ tuabin khí rất lớn và có thể tận dụng (thu hồi) để sản xuất nước lạnh hoặc hơi nước Loại máy phát điện tuabin khí cho giá điện rẻ hơn từ 0,35 USD/ kWh đến 0,6 USD/ kWh Nhiệt thải từ tuabin khí công suất 1000 kW có thể sản xuất được 750 RT 70C nước lạnh hoặc 2,2 tấn/h 8bar hơi nước [20] Với mô hình này sẽ tiết kiệm được giá thành sản phẩm, thúc đẩy cho nền công nghiệp ngày một đi lên

Các nước trên thế giới đang sử dụng máy lạnh hấp thụ kết hợp tận dụng nhiệt thải gồm có: Mỹ, Nhật, Nga, Trung Quốc, Hàn Quốc, Ấn Độ, Malaysia, Thái Lan

™ Hiện nay tại Nhật có nhiều nhà máy đồng phát cung cấp hơi cho gia nhiệt và làm lạnh Trong nhiều năm trước máy lạnh hấp thụ là thị trường chính ở Nhật Nhật

Bản hiện đang dẫn đầu về sản xuất máy lạnh hấp thụ, đặc biệt là loại sử dụng hơi nước Nhật là một trong những quốc gia dẫn đầu về sản xuất máy lạnh hấp thụ tận dụng nhiệt thải từ tuabin khí

Hình 1.1 – Nhà máy đồng phát DHC (District Heating Cooling systems) ở Tokyo

Hình 1.2- Hệ thống đồng phát HRSG (Heat Recovery System Generator)

Hình 1.3 – Hệ thống đồng phát sử dụng khí thải từ tuabin

™ Nhà máy điện Phú Mỹ:

- Phú Mỹ 1: chu trình hỗn hợp gồm 3 tổ máy tuabin khí và 3 lò thu hồi nhiệt từ 3 tuabin khí với 1 tuabin hơi nước công suất thiết kế 211,6 MW/ tổ máy (vận hành bằng dầu DO)

- Phú Mỹ 2.1 (vốn đầu tư 101 triệu USD) gồm 2 tổ máy tuabin khí với công suất thiết kế 133,5 MW/tổ máy (vận hành hằng dầu DO)

- Phú Mỹ 2-1 mở rộng gồm 2 tổ máy tuabin khí với công suất thiết kế 135,1 MW/ tổ máy (vận hành bằng khí đốt)

- Phú Mỹ 2.2 công suất 715MW (vốn đầu tư 417 triệu USD)

- Phú Mỹ 3 công suất 715MW (vốn đầu tư 412,8 triệu USD)

- Phú Mỹ 4 công suất 450MW

Hiện nay các dự án đang được triển khai về tận dụng nhiệt thải:

- Dự án đuôi hơi Phú Mỹ 2.1: lắp thêm 2 lò thu hồi nhiệt để tận dụng nhiệt lượng khói thải (3500C) từ tuabin khí của dự án Phú Mỹ 2.1 chạy tổ máy phát điện với công suất

™ Một số lưu ý khi tận dụng nguồn nhiệt thải:

- Chủng loại, thành phần hoá học và các thông số cơ bản: áp suất, nhiệt độ, lưu lượng

- Mức độ ổn định, tính liên tục

- Mục đích, qui mô sử dụng

- Công nghệ và sơ đồ của hệ thống vận dụng nhiệt thải

- Hiệu quả kinh tế, kỹ thuật

Tuỳ theo mức độ của nguồn nghiệt thải sẽ được chia ra như sau:

- Nhiệt thế cao: nguồn nhiệt tận dụng từ các hệ thống khói thải của các lò luyện kim

- Nhiệt thế trung bình: nhiệt từ khói thải của động cơ đốt trong, tuabin khí, tuabin hơi

- Nhiệt thế thấp: nước giải nhiệt từ các động cơ, hệ thống điều hoà không khí

CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ MÁY LẠNH HẤP THỤ 2.1 Khái quát các môi chất làm việc trong máy hấp thụ

Trong máy lạnh hấp thụ đi cùng với tác nhân lạnh là chất hấp thụ, thường gọi là cặp môi chất Có hai loại cặp môi chất:

Cặp môi chất hấp thụ : là các cặp môi chất có liên kế hóa học với nhau (lỏng và rắn) như : H2O/CaCl2; NH3/H2O; H2O/Silicagel

Cặp môi chất hấp phụ là các cặp môi chất có liên kết với cơ học với nhau (nước/Zeôlit)

Trong kiù hiệu, chất có nhiệt độ sôi thấp hơn (tác nhân lạnh) được viết trước, chấp hấp thụ được viết sau và giữa hai kí hiệu là một gạch chéo hoặc gạch ngang

Ví dụ : NH3/ H2O; H2O/LiBr (NH3-H2O; H2O-LiBr)

Yêu cầu đối với cặp môi chất: có tính chất nhiệt động tốt, không độc hại, không dễ cháy nổ, không ăn mòn đối với vật liệu chế tạo máy, rẻ tiền, dễ kiếm

Ngoài ra cặp môi chất cần phải :

- Hoà tan hoàn toàn vào nhau nhưng nhiệt độ sôi ở cùng điều kiện áp suất càng

xa nhau càng tốt để cho hơi môi chất lạnh sinh ra ở bình sinh hơi không lẫn chất hấp thụ

- Nhiệt dung riêng của dung dịch phải bé đặc biệt đối với máy lạnh hấp thụ chu kỳ để tổn thất nhiệt khởi động máy nhỏ

Hầu hết hệ thống máy lạnh hấp thụ là hệ thống H2O/LiBr và NH3/ H2Oø Ngoài ra còn có các cặp chất hấp thụ/ tác nhân lạnh khác như : LiBr/ H2O-NH3, LiBr-ZnBr2/CH3OH, LiNO3-KNO3-NaNO3/ H2O, glycercol/ H2O, LiCi/ H2O, NH3/LiNO3, LiBr/ H2O, H2O/NH3

2.2 Tính chất nhiệt vật lý của môi chất lựa chọn (LiBr)

LiBr có một số tính chất :

- Là một muối không độc, màu trắng có vị đắng, độ pH : 7 ÷ 10, không cháy

- Tính hóa học ổn định, ở điều kiện khí trời không biến chất, không phân giải

- Nóng chảy ở 5490C và sôi ở nhiệt độ 12650

- Có thể hoà tan trong nước, alcohol, glycol

- Khối lượng riêng : 1,6 g/cc

- Khối lượng mol : 86,84 g/mol

Bảng 2.1 – Các thành phần tạp chất trong dung dịch LiBr

Các thành phần tạp chất trong dung dịch LiBr (%) LiBr

(%) Na+K Ca Mg Fe Ba SO4 NH4 Cl LiCrO4

Tính không hòa tan với nước

PH

55 0.05 0.005 0.005 0.0005 0.005 0.02 0.0001 0.10 0.05 0.005 9-10

Nồng độ dung dịch (kí hiệu c) lớn hay nhỏ dựa trên cơ sở tính theo phần trăm

khối lượng LiBr có trong dung dịch Công thức tính nồng độ dung dịch[1]:

% 100

2

× +

=

O H LiBr

LiBr

m m

m : khối lượng thành phần H2O có trong dung dịch

Dung dịch H2O – LiBr là một chất lỏng nhưng nó khác với chất lỏng

thuần khiết Ví dụ : ở áp suất khí trời Pkt = 1 bar, nước sôi ở 1000C, nhưng cũng ở

áp suất khí trời là 1 bar thì nhiệt độ bão hòa thay đổi thùy theo nồng độ

dung dịch Nếu nồng độ C của dung dịch lần lượt 40%, 50%, 60% thì nhiệt độ bão hòa là

1130C, 1300C, 1500C

Dung dịch H2O – LiBr có một số đặc tính sau :

- Nếu cùng nhiệt độ bão hòa so với nước thuần khiết thì phân áp suất của hơi nước nhỏ hơn so với áp suất nước thuần khiết, do đó dung dịch có tính hút nước rất mạnh

- Nhiệt độ bão hòa của dung dịch có quan hệ với áp suất và nồng độ

t = f(p,c), nhiệt độ bão hòa thay đổi tùy theo nồng độ, nồng độ càng cao nhiệt độ bão hòa càng lớn

- Dung dịch H2O – LiBr là loại hòa trộn có giới hạn, ở nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp rất dễ phát sinh hiện tượng kết tinh

- Đối với kim loại thông thường nó ăn mòn rất mạnh

2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động :

2.3.1 Single effect:

Hình 2.1 Máy lạnh H2O – LiBr single effect

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý máy lạnh H2O – LiBr single effect

A : Bình phát sinh C : Bình bốc hơi

B : Bình ngưng D : Bình hấp thụ E : Bơm dung dịch

Cs : Nồng độ dung dịch đậm đặc Cw : Nồng độ dung dịch loãng

- Nguyên lý hoạt động :

Dung dịch loãng (nồng độ Cw) được bơm E bơm vào bình phát sinh A, tại A dung dịch được gia nhiệt từ nguồn nhiệt cấp đến nhiệt độ nhất định Khi đó nước sôi và bốc hơi (quá nhiệt) vào bình ngưng B và ngưng tụ thành lỏng (tác nhân lạnh)

Nước ngưng đi qua ống tiết lưu chữ U vào bình bốc hơi C nhận nhiệt bay hơi qua bình hấp thụ D Tại D hơi nước (tác nhân lạnh) được hấp thụ bởi dung dịch đậm đặc (nồng độ Cs) từ bình phát sinh A trở thành dung dịch loãng và lại được bơm E đưa vào bình phát sinh A bắt đầu một chu kỳ mới

2.3.2 Double effect:

Hình 2.3 Máy lạnh H2O – LiBr double effect

Nước cần làm lạnh

Nước làm mát

AB

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý máy lạnh H2O – LiBr

A : Bình phát sinh B : Bình ngưng AB : Bình phát sinh – ngưng tụ

C : Bình bốc hơi D : Bình hấp thụ E : Bơm dung dịch

Cs : Nồng độ dung dịch đậm đặc Cw : Nồng độ dung dịch loãng

- Nguyên lý hoạt động :

Dung dịch loãng nồng độ Cw trong bình phát sinh A nhận nhiệt, khi đó một lượng

nước sẽ bốc hơi (quá nhiệt) vào bộ trao đổi nhiệt trong bình AB Dung dịch có nồng độ

trung gian Ci từ bình phát sinh A đến AB (Ci > Cw do hơi nước bốc hơi một phần vào AB)

nhả nhiệt làm bốc hơi nước đi vào bình ngưng tụ B Tại B hơi nhả nhiệt ngưng tụ thành

lỏng (tác nhân lạnh) trộn với nước ngưng (hơi bão hòa ẩm có độ khô nhỏ) từ AB đến rồi

đi qua ống tiết lưu chữ U vào bình bốc hơi C nhận nhiệt bay hơi qua bình hấp thụ D Tại

D hơi nước (tác nhân lạnh) được hấp thụ bởi dung dịch đậm đặc (nồng độ Cs) từ bình phát sinh – ngưng tụ AB

trở thành dung dịch loãng và được bơm E đưa vào bình phát sinh A bắt đầu một chu trình

+ Sử dụng được nguồn nhiệt thải có nhiệt thế thấp (90 ÷ 1500C)

+ Vận chuyển, lắp đặt dễ dàng

- Khuyết điểm :

+ Cấu tạo phức tạp

+ Cồng kềnh, vận chuyển, bố trí lắp đặt khó

2.3.4 Lựa chọn sơ đồ làm việc :

- Với mục đích xây dựng mô hình thí nghiệm cơ bản nên trong đề tài này sơ đồ làm việc lựa chọn sẽ là loại sơ đồ máy lạnh hấp thụ H2O – LiBr single effect

2.4 Mô tả toán học

2.4.1 Tính toán nhiệt động và truyền nhiệt ở điều kiện khí hậu Việt Nam

2.4.1.1 Tính toán nhiệt động

™ Thông số đã biết :

- Căn cứ phụ tải lạnh công trình Q0, nhiệt độ nước lạnh vào và ra khỏi bộ bốc hơi t’,t’’

- Nhiệt độ nước giải nhiệt tw : căn cứ điều kiện môi trường nơi đặt thiết bị để xác định

- Áp suất hơi công tác Ph.

™ Xác định thông số thiết kế [4]:

- Nước giải nhiệt : chọn nước giải nhiệt vào và ra bộ hấp thụ sau đó đi tiếp vào bình ngưng Độ tăng nhiệt độ toàn bộ từ 7 ÷ 90C

- Nhiệt độ nước ra khỏi bộ hấp thụ :

- Áp suất ngưng tụ pk : từ tk tìm được áp suất bão hòa tương ứng

- Nhiệt độ bốc hơi t0 : thấp hơn nhiệt độ nước lạnh ra từ 2 ÷ 40C

t0 = t’ - Δt0 (0C) (2.5)

- Áp suất bốc hơi p0 : từ t0 tìm được áp suất bão hòa tương ứng

- Nhiệt độ dung dịch loãng ra khỏi bộ hấp thụ : cao hơn nhiệt độ của nước giải nhiệt ra khỏi bộ hấp thụ khoảng 3 ÷ 50C

t4 = tw1 - Δt (0C) (2.6)

- Áp suất bộ hấp thụ : pa ≈ p0

- Nồng độ dung dịch loãng Cw : từ t4 tính Cw

- Nồng độ dung dịch đậm đặc Cs : phạm vi thải khí Cs – Cw thường ở trong khoảng 0,03 ÷ 0,06, do đó :

Cs = Cw + (0,03 ÷ 0,06) (2.7)

- Nhiệt độ dung dịch đậm đặc ra khỏi bộ phát sinh t6 : từ Cs các định t6

- Nhiệt độ dung dịch ra khỏi TBTĐN : Nhiệt độ dung dịch đặc ra khỏi TBTĐN cao hơn nhiệt độ kết tinh với nồng độ tương ứng Cs là từ 15 ÷200C để đề phòng phát sinh kết tinh ở cửa ra của TBTĐN, tính theo công thức sau:

t7 = t4 - Δt (0C) (2.8)

- Nồng độ dung dịch phun tia ở bộ hấp thụ :

Ci = (Cs + Cw)/2 (0C) (2.9) Từ Ci xác định t8

™ Tính toán các thông số nhiệt độ, áp suất, nồng độ, entanpi của tác nhân lạnh và dung dịch ở phần trên theo các công thức sau [10]:

- Áp suất bão hòa của tác nhân lạnh :

logp = 28,59051 – 8,2.log(t+273,15) (2.10) + 0,0024804.(t+273,15) -

15 , 273 t

61 ,

3142 +

t : nhiệt độ bão hòa của tác nhân lạnh, 0C

- Entanpi của tác nhân lạnh :

1 i R i

a 3 ,

3 i R i 8

/ 7 R 3 6 / 5 R 2 3 / 1 R

b 1 3 ,

T 3 647

7 ,

3892

−

(p ≤ 12,33 MPa)

t : nhiệt độ bão hòa của tác nhân lạnh, 0C

- Nồng độ của dung dịch :

c = 38 , 3893 + a1 t.sv+ a2 t.sv2 + a3 't + a4.( t )'2+ a5 t.sv 't+ a6 t.2sv 't + a7 t.sv.( t )'2 + a8.( tsv t )'2 (2.14) Bảng 2.3 – Các hệ số ai trong công thức (2.14)

a1 0,5362 a5 4,7942×10-4

a2 2,103×10-4 a6 -7,4752× 10-5

a4 7,7844×10-4 a8 6,1135× 10-7

tsv : độ quá nhiệt của hơi nước, tsv = t – t’

t : nhiệt độ sôi của dung dịch, 0C

t’ : nhiệt độ bão hòa của hơi nước ứng với áp suất p, 0C

- Entanpy của dung dịch:

3 1 j

) 1 j ) 1 i

ijc t a

t : nhiệt độ dung dịch, 0C

- Nhiệt độ sôi của dung dịch:

] E ).

N F ( 4 D [ D

E 2

−

A = -2,00755 + 0,16976 × c – 3,133362 × 10-3 × c2 + 1,97668 ×10-5 × c3

B = 321,128 – 19,322 × c + 0,374382 × c3 – 2,0637 × 10-3 × c3

c c

c

™ Tính toán phụ tải thiết bị :

- Bộ phát sinh

q

q Q

COP = 0,65 ÷ 0,7

™ Tính tiêu hao năng lượng hơi gia nhiệt và lưu lượng bơm

- Lượng tiêu hao hơi nước gia nhiệt Gh :

Gh = (1,05 ÷ 1,10)

r

1,05 ÷ 1,10 _ hệ số do tổn thất nhiệt

r – ẩn nhiệt hóa hơi của hơi gia nhiệt, kJ/kg

- Lưu lượng bơm nước giải nhiệt :

Vw =

) t t(

C 1000

3600

Q )

t t ( C 1000

3600 Q

2 w 3 w w

k 1

w 2 w w

- Lưu lượng bơm nước lạnh :

)' t '' t(

C 1000

D

f0 ×

f0 : bội số tái tuần hoàn bộ bốc hơi, f0 = 10 ÷ 20

- Lưu lượng bơm bộ phát sinh :

ρa : khối lượng riêng dung dịch loãng, kg/m3

- Lưu lượng bơm dung dịch bộ hấp thụ :

Va =

a

D ) 1 a

f ρ

− +

(m3/h) (2.42)

f : bội số tái tuần hoàn của dung dịch loãng bộ hấp thụ, chọn f = 20 ÷50

ρa : khối lượng riêng dung dịch phun giọt, kg/m3 2.4.1.2 Tính toán truyền nhiệt : [4,5]

™ Tính diện tích truyền nhiệt các thiết bị:

- Theo Xakharop :

) b t a ( k

Q F

b

Δ

− Δ

Q : nhiệt lượng truyền, W

k : hệ số truyền nhiệt, W/m2 0C

Δ : độ chênh nhiệt độ tối đa trong TBTĐN, tức độ chênh nhiệt độ giữa chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh khi vào TBTĐN

a, b : hệ số phụ thuộc phương thức lưu động trong (bảng 2.5)

Δta : độ chênh nhiệt độ chất lỏng có sự thay đổi nhiệt độ ít

Δtb : độ chênh nhiệt độ chất lỏng có sự thay đổi nhiệt độ lớn

Bảng 2.5 – Hệ số a, b

Lưu động ngược chiều

Lưu động thuận chiều

Lưu động cắt nhau

0,35 0,66 0,45 ÷ 0,55

0,65 0,65 0,65 Nếu trong quá trình trao đổi nhiệt, có 1 chất lỏng biến đổi pha (ví dụ ngưng tụ của hơi tác nhân lạnh trong bộ ngưng tụ) thì Δta = 0, khi đó :

F =

) t b ( k

k

Q

1 6 1

h h

kh : hệ số truyền nhiệt bộ phát sinh, W/m2 0C

th : nhiệt độ hơi công tác, 0C

Trong bộ phát sinh dung dịch loãng có nhiệt độ t5, nồng độ cw được gia nhiệt đến trạng thái bão hòa có nhiệt độ t1, sau đó dung dịch sôi sinh ra hơi nước (tác nhân lạnh) có nhiệt độ ra khỏi bộ phát sinh là t2 Do đó nhiệt lượng cần cho quá trình 5-1 chiếm một lượng rất nhỏ so với nhiệt lượng cần cho quá trình sôi Vì vậy khi tính toán, nhiệt độ của dung dịch sử dụng khi tính là t1 chứ không dùng t5

- Diện tích truyền nhiệt bộ ngưng tụ :

Fk =

)]

t t ( 65 , 0 ) t t [(

k

Q

1 w 2 w 1

w k k

kk : hệ số truyền nhiệt bộ ngưng tụ, W/m2 0C

Trong bộ ngưng tụ, nước giải nhiệt sẽ giải nhiệt hơi nước tác nhân lạnh có nhiệt độ t2 (hơi quá nhiệt) nguội đến trạng thái bão hòa, sau đó mới ngưng tụ thành nước Vì phụ tại nhiệt chiếm trong quá trình làm nguội rất nhỏ do đó khi tính toán dùng nhiệt độ ngưng tụ tk mà không dùng t2

- Diện tích truyền nhiệt bốc hơi :

Trong bộ bốc hơi nước tác nhân lạnh xảy ra quá trình biến đổi pha, nên Δta = 0

F0 =

)]

't '' t(

65 , 0 ) t '' t [(

k

Q

0 0

- Diện tích truyền nhiệt bộ hấp thụ :

Trong bộ hấp thụ, hỗn hợp dung dịch được phun giọt trên bề mặt ngoài chùm ống bộ hấp thụ và theo bề mặt ngoài của ống chảy thành màng xuống dưới, nước giải nhiệt chảy trong ống, phương thức lưu động giữa màng dung dịch và nước giải nhiệt là chảy cắt nhau, diện tích truyền nhiệt được tính theo công thức sau :

Fa =

)]

t t(

65 , 0 ) t t(

5 , 0 ) t t [(

k

Q

4 8 w

1 w w

8 a

ka : hệ số truyền nhiệt hấp thụ, W/m2 0C

- Diện tích truyền nhiệt của TBTĐN :

Trong bộ TBTĐN, do lưu lượng dung dịch loãng lớn nên nhiệt độ biến thiên nhỏ Phương thức lưu động giữa 2 loại dung dịch là lưu động ngược chiều, do đó :

Ft =

)]

t t(

65 , 0 ) t t ( 35 , 0 ) t t [(

k

Q

7 6 4

5 4

6 t

kt : hệ số truyền nhiệt của TBTĐN, W/m20C

Trong máylạnh hấp thụ H2O – LiBr, nhân tố ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt k có rất nhiều, ví dụ TBTĐN, vật liệu chế tạo ống, mật độ phun dung dịch, mật độ dòng điện, đường kính ống, tốc độ chuyển động chất lỏng trong và ngoài ống, tình trạng bám cán Do đó khi tính toán thiết kế thông thường căn cứ số liệu thực nghiệm của thiết bị cùng loại để làm cơ sở chọn hệ số k

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN QUI MÔ KẾT CẤU,

DỤNG CỤ ĐO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 3.1 Chọn mô hình, qui mô:

Mô hình được lựa chọn là loại single effect vì máy lạnh hấp thụ

H2O – LiBr một cấp là loại cơ bản, là nền tảng kiến thức hiểu biết cho các loại máy lạnh hấp thụ phức tạp hơn

Khi có kinh phí thực hiện mô hình sẽ được đặt trong phòng thí nghiệm do đó qui mô lựa chọn phải phù hợp:

- Đủ độ chính xác cho học tập và tìm hiểu về tính năng thiết bị

- Sử dụng thuận tiện (không tiêu tốn quá nhiều năng lượng, gọn để thuận tiện bố trí trong phòng)

- Điều kiện khí hậu nơi đặt máy

- Kích thước không quá lớn vì khó điều chỉnh các thông số yêu cầu, không quá nhỏ sẽ dẫn đến các số liệu kém chính xác vì tỉ lệ các tổn thất phụ

Theo vị trí của phòng thí nghiệm thì diện tích có thể lắp đặt máy là 3m x 6m Do đó năng suất lạnh được lựa chọn là 50kW phù hợp với diện tích bố trí đã có và được tham khảo từ một số catalog loại single effect của các hãng sản xuất Carrier, Trane,

…(phụ lục 2,6)

3.2 Tính toán nhiệt động và truyền nhiệt:

3.2.1 Điều kiện đã biết:

Nhiệt độ nước lạnh ra khỏi bộ bốc hơi : t” = 70C

Nhiệt độ nước lạnh vào bộ bốc hơi : t’ = 120C

Nhiệt độ nước giải nhiệt : tw = 320C

Hơi gia nhiệt có áp suất tuyệt đối ph = 1,5 bar (th = 111,380C)

45

3

21

6

7

910

7-Oáng phòng kết tinh 15- Nước giải nhiệt ra 8-TB hút khí không ngưng 16- Nước lạnh

2' 3' 2

3

Hình 3.2- Đồ thị i-c 3.2.2 Tính toán nhiệt động:

™ Xác định các thông số thiết kế (áp dụng các công thức 2.2÷2.30):

- Nhiệt độ nước giải nhiệt ra khỏi bộ hấp thụ tw2:

- Nhiệt độ dung dịch đậm đặc rời bình phát sinh:

™ Các điểm trạng thái của chu trình:

• Điểm 1: dung dịch loãng bắt đầu sôi trong bộ phát sinh

• Điểm 4: Dung dịch loãng rời bộ hấp thụ

• Điểm 5: Dung dịch loãng ra khỏi TBTĐN

Phương trình cân bằng nhiệt:

(a-1)(i6-i7) = a(i5-i4)

i5 = ( a

) 2 , 311 96 , 382 )(

1 5 , 15

Bảng 3.1

Điểm

Nhiệt độ (0C)

Nồng độ

%

Áp suất (mmHg)

Entanpy (kJ/kg)

1 Dung dịch loãng bắt đầu sôi trong bộ

2 Hơi nước quá nhiệt vào bộ ngưng tụ 91.1 0 71,93 3080,5

2’ Nước ngưng tụ trong bộ ngưng tụ 45 0 71,93 606.3

3 Hơi nước đi vào bộ bốc hơi 5 0 6,54 606.3

3’ Hơi nước rời bộ bốc hơi 5 0 6,54 2923,6

4 Dung dịch loãng rời bộ hấp thụ 42 58 6,54 276.01

5 Dung dịch loãng ra khỏi TBTĐN 76 58 6,54 343,14

6 Dung dịch đậm đặc rời bộ phát sinh 95.6 02 71,93 382.96

7 Dung dịch đậm đặc ra khỏi TBTĐN 57 62 71,93 311,2

8 Dung dịch phun tia ở bộ hấp thụ 47 60 6,54 295,6

™ Tính phụ tải nhiệt của thiết bị:

- Bộ phát sinh:

¾ Cân bằng nhiệt:

i2 + (a-1)i6 – ai5 + i3’ –i2’ = i2 – i2’ + (a-1)i7 – ai4 + i3’

⇔ (a-1)i6 – ai5 = (a-1)i7 – ai4

⇔ (a-1)(i6-i7) = a(i5 – i4)

⇔ qh+ q0 = qk + qa

- Lưu lượng tuần hoàn của nước (tác nhân lạnh):

D = 0 , 0215 kg / s 77 , 4 kg / h

3 , 2317

50 q

3 ,

2317 q

q Q

Q

h

0 h

™ Tính toán tiêu hao hơi gia nhiệt và lưu lượng bơm

- Lượng tiêu hao hơi gia nhiệt:

Gh = 1,05 121 kg / h

2226

3600 26

, 71 05 , 1 r

G

0

- Lưu lượng nước giải nhiệt (bộ ngưng tụ – bộ hấp thụ):

Vw = w( wa2 w1) 1000 Cw( tkw3 tw2)

Q t

t C 100

Q

−

=

− =

( 36 , 5 32 ) 13 m / h

18 , 4 1000

3600 89

"

t C 1000

4 , 77

10 1000

D f

4 , 7 5 , 15

3 h

=

×

×

= ρ

- Lưu lượng bơm dung dịch phun giọt bộ hấp thụ:

Va = ( ) ( ) 2 , 44 m / h

10 728 , 1

4 , 77 1 5 , 15 40 D 1 a

3 a

=

×

×

− +

= ρ

− +

Chọn f = 40 [6]

2.3.3 Tính toán truyền nhiệt (áp dụng các công thức 2.31÷2.43):

- Diện tích truyền nhiệt bộ phát sinh:

−

−

−Chọn kh = 1163 W/m2 0C [6]

- Diện tích truyền nhiệt bộ ngưng tụ