Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo bồn tích trữ lạnh ứng dụng cho hệ thống điều hòa không khí water chiller công suất 360000 BTU h

Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo bồn tích trữ lạnh ứng dụng cho hệ thống điều hòa không khí water chiller công suất 360000 BTU h Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo bồn tích trữ lạnh ứng dụng cho hệ thống điều hòa không khí water chiller công suất 360000 BTU h Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo bồn tích trữ lạnh ứng dụng cho hệ thống điều hòa không khí water chiller công suất 360000 BTU h Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo bồn tích trữ lạnh ứng dụng cho hệ thống điều hòa không khí water chiller công suất 360000 BTU h

xii

TÓM TẮT

Đề tài trình bày nghiên cứu thiết kế chế tạo bồn tích trữ lạnh để vận hành kết hợp hệ thống điều hòa không khí Water Chiller công suất 360,000 BTU/h Chất tải lạnh và chất tích trữ lạnh cho bồn tích trữ lạnh là nước Vật liệu chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt cho bồn tích trữ lạnh là nhựa uPVC Trong bài báo này các thông số vận hành hệ thống tích trữ lạnh được thể hiện dựa trên quá trình nghiên cứu và thực nghiệm Các kết quả chỉ ra nhiệt độ nạp tải, nhiệt độ chất tải lạnh và nhiệt độ chất trữ lạnh khi thực hiện quá trình xả tải và thời gian xả tải Các kết quả cũng chỉ ra hiệu quả trao đổi nhiệt của dàn trao đổi nhiệt bên trong bồn tích trữ lạnh, độ chênh lệch nhiệt độ chất tải lạnh vào và ra khỏi dàn trao đổi nhiệt luôn duy trì 3 đến 40C Thiết kế này phù hợp để sử dụng hệ thống tích trữ lạnh trong các ứng dụng làm mát

ABSTRACT5

This paper presents a study on the design and fabrication of cold thermal energy storage tank to operate in Water Chiller air-conditioning system with cooling capacity of 360,000 BTU/h Water is used as the heat transfer fluids in cold storage tank The Polyvinyl chloride pipe (uPVC) is used to fabrication the heat exchanger

In this work, the investigation of system properties is based on and experimental study the results indicate the operation properties such as: the load-charging temperature, heat transfer fluids temperature in load-discharging, load-discharging time In addition, the results also show the heat transfer efficiency of exchanger in cold thermal energy storage tank is good The temperature difference of the inlet and outlet heat transfer fluid in exchanger is maintained from 3 to 40C This is a suitable design for use cold thermal storage system in cooling applications

xiii

MỤC LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP i

LÝ LỊCH KHOA HỌC ii

LỜI CAM ĐOAN x

LỜI CẢM ƠN xi

TÓM TẮT xii

ABSTRACT xii

MỤC LỤC xiii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT xv

DANH SÁCH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG xviii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tính cấp thiết đề tài 1

1.2 Tổng quan các nghiên cứu liên quan 2

1.2.1 Nghiên cứu ngoài nước 2

1.2.2 Nghiên cứu trong nước 12

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 16

1.4 Giới hạn đề tài 16

1.5 Phương pháp nghiên cứu 16

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18

2.1 Lý thuyết trao đổi nhiệt 18

2.2 Lý thuyết tính toán 18

2.3 Lý thuyết quá trình biến đổi pha 22

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO 23

3.1 Tính toán thiết kế bồn tích trữ 23

xiv

3.1.1 Thiết kế dàn ống trao đổi nhiệt năng suất lạnh Q 0 = 360000BTU/h 23

3.1.2 Thiết kế dàn ống trao đổi nhiệt năng suất lạnh Q 0 = 20kW 25

3.1.3 Thiết kế và chế tạo bồn tích trữ lạnh 29

3.1.4 Tính toán cách nhiệt cách âm cho bồn trữ lạnh 36

3.1.5 Tính chọn bơm 41

CHƯƠNG IV: THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 49

4.1 Thiết lập mô hình thí nghiệm chất biến đổi pha (PCM) 49

4.1.1 Thiết lập mô hình thí nghiệm quá trình nạp tải cho vật liệu biến đổi pha… 49

4.1.2.Thiết lập mô hình thí nghiệm quy trình xả tải cho vật liệu biến đổi pha 50

4.2 Thiết lập mô hình thực nghiệm vận hành bồn tích trữ lạnh 51

4.2.1 Các dụng cụ đo 53

CHƯƠNG V: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 55

5.1 Kết quả mô hình thí nghiệm chất biến đổi pha 55

5.1.1 Quá trình nạp tải cho vật liệu biến đổi pha 55

5.1.2 Quá trình xả tải cho vật liệu biến đổi pha 58

5.2 Kết quả mô hình thí nghiệm vận hành hệ thống tích trữ lạnh 58

5.2.1 Sự thay đổi nhiệt độ chất trữ lạnh trong quá trình nạp tải 58

5.2.2.Sự thay đổi nhiệt độ chất tải lạnh khi thực hiện quá trình xả tải 59

5.2.3 Sự thay đổi nhiệt độ không khí ra khỏi FCU thực hiện quá trình xả tải 61

CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62

6.1 Kết luận 62

6.2 Kiến nghị 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

d1 : Đường kính trong của ống, m

d2 : Đường kính ngoài của ống, m

xvi

Gr : Tiêu chuẩn Grashoft

ks : hệ số truyền nhiệt qua sàn

kw : Hệ số truyền nhiệt qua vách, W/m2.K

 : Khối lượng riêng, kg/m3

V : Lưu lượng bơm, m3/s

xvii

N : Công suất bơm, kW

η : Hiệu suất truyền nhiệt, %

xviii

DANH SÁCH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG

A_DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ nghiên cứu thí nghiệm tích trữ lạnh [1] 3

Hình 1.2: Sơ đồ thực nghiệm hệ thống lạnh [4] 4

Hình 1.3: Mô hình nghiên cứu thí nghiệm chất biến đổi pha [7] 6

Hình 1.4: Sơ đồ thí nghiệm chất biến đổi pha trong tích trữ lạnh [10] 7

Hình 1.5: Sơ đồ thiết bị nghiên cứu thí nghiệm đánh giá trữ lạnh [16] 9

Hình 1.6: Sơ đồ nghiên cứu hệ thống tích trữ lạnh dạng bột đá [17] 10

Hình 1.7: Sơ đồ nghiên cứu hệ thống tích trữ lạnh có chất PCM [20] 11

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm tích trữ lạnh [21] 12

Hình 1.9: Mô hình thí nghiệm tích trữ lạnh [22] 13

Hình 1.10: Cấu tạo thiết bị tích trữ lạnh trong nghiên cứu [23] 13

Hình 1.11: Cấu tạo thiết bị tích trữ lạnh trong nghiên cứu [25] 15

Hình 2.1: Sơ đồ truyền nhiệt qua vách……….…….20

Hình 2.2: Sơ đồ truyền nhiệt qua khối trụ [27] 22

Hình 3.1: Sơ đồ thiết kế của bộ trao đổi nhiệt (Hình chiếu bằng) 33

Hình 3.2: Sơ đồ thiết kế bộ trao đổi nhiệt (Hình chiếu cạnh) 33

Hình 3.3: Mô hình 3D bồn tích trữ lạnh 34

Hình 3.4: Hình ảnh bố trí bộ trao đổi nhiệt bồn tích trữ lạnh 35

Hình 3.5: Sơ đồ truyền nhiệt qua vách phẳng 38

Hình 3.6:Sơ đồ bố trí tuyến nước lạnh trong bồn 41

Hình 3.7: Bơm nước hãng Ebara 46

Hình 3.8: Hệ thống bồn tích trữ lạnh sau khi được chế tạo và lắp đặt 48

Hình 3.9: Hệ thống Water Chiller 48

xix

Hình 4.1: Mô hình thực nghiệm quá trình nạp tải chất biến đổi pha 49

Hình 4.2: Mô hình thực nghiệm quá trình xả tải chất biến đổi pha 50

Hình 4.3: Hình ảnh thực nghiệm quá trình xả tải chất biến đổi pha 51

Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm 52

Hình 4.5: Thiết bị đo nhiệt độ 53

Hình 4.6: Thiết bị đo nhiệt độ môi trường 53

Hình 4.7: Công tơ điện ba pha 54

Hình 5.1: Sự thay đổi nhiệt độ của chất biến đổi pha trong quá trình nạp tải 55

Hình 5.2: Sự thay đổi nhiệt độ của chất biến đổi pha trong quá trình xả tải 56

Hình 5.3: Sự thay đổi nhiệt độ nước trong quá trình xả tải vật liệu biến đổi pha 57

Hình 5.4: Sự thay đổi nhiệt độ chất trữ lạnh khi thực hiện quá trình nạp tải 58

Hình 5.5: Sự thay đổi nhiệt độ chất tải lạnh khi thực hiện quá trình xả tải 60

Hình 5.6: Sự thay đổi nhiệt độ chất trữ lạnh khi thực hiện quá trình xả tải 60

Hình 5.7: Sự thay đổi nhiệt độ không khí ra khỏi FCU khi thực hiện quá trình xả tải 61

B_DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Catalogue ống nhựa uPVC Bình Minh 23

Bảng 3.2: Thông số hình học bồn tích trữ 36

Bảng 3.3: Lưu lượng trên từng đoạn ống 42

Bảng 3.4: Tổn thất áp suất trên các đoạn ống 43

Bảng 3.5:Tổn thất cục bô trên các đoạn ống 47

Bảng 3.6: Thông số bơm nước hãng Ebara 47

Với nhu cầu thiết yếu được nêu trên, các nhà nghiên cứu cùng với các chuyên gia năng lượng nước ta không ngừng đưa ra nhiều giải pháp nhằm cải thiện

và hạn chế tối đa chi phí lắp và vận hành hệ thống điều hòa không khí Water Chiller kết hợp công nghệ tích trữ lạnh Gần đây, các dự án nghiên cứu đã tập trung vào hệ thống Water Chiller với mục đích giảm lượng điện năng tiêu thụ Đồng thời, kết hợp với nhiều giải pháp nhằm nâng cao công nghệ để cải thiện chi phí sử dụng cho

hệ thống chiller kết hợp tích trữ lạnh có hiệu quả hơn

Trong những năm gần đây, công nghệ tích trữ lạnh được nghiên cứu để áp dụng vào hệ thống Water Chiller đã được cải thiện rất nhiều so với trước đây Bên cạnh đó, mục tiêu cắt giảm chi phí lắp đặt hệ thống và đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng cho đất nước ta trong tương lai

Hiện nay, nhu cầu sử dụng hệ thống điều hòa không khí Water Chiller càng ngày nhiều trong các tòa nhà cao tầng Vì thế, để hạn chế chi phí vận hành hệ thống này nên đỏi hỏi cần tập trung nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo bồn tích trữ lạnh cho hệ thống Water Chiller là một hướng nghiên cứu này sẽ tập trung đi sâu hơn đáp lại kỳ vòng của nước ta cho nguồn năng lượng tái tạo

2

1.2 Tổng quan các nghiên cứu liên quan

1.2.1 Nghiên cứu ngoài nước

Sử dụng bồn tích trữ lạnh kết hợp với phương pháp dùng nước lạnh để tiếp xúc trực tiếp với chất biến đổi pha (PCM), được Viktoria Martin và cộng sự [1] đã nghiên cứu khảo sát việc ứng dụng quá trình thay đổi pha của vật liệu để tích trữ lạnh Sơ đồ thể hiện cấu tạo như Hình 1.1, đường ống nước lạnh được bố trí bên trên vào bên trong bồn Bên trong bồn bố trí lớp chất biến đổi pha đã nóng chảy, kế tiếp là lớp xốp hữa cơ chứa chất biến đổi pha Nước lạnh cấp vào bồn ta lớp chất biến đổi pha làm cho nhiệt độ của chất thay đổi pha và tích trữ nhiệt, lượng nước sau khi làm biến đổi pha xong sẽ rới xuống dưới đáy bồn và thoát ra ngoài theo ống thoát đã bố trí Mô hình sử dụng phương pháp tích trữ nhiệt hiện, chất tải lạnh tiếp xúc trực tiếp chất biến đổi pha Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, tích trữ lạnh tại giờ cao điểm với giá điện cao sẽ ảnh hưởng rất lớn đến chi phí, do đó công nghệ này làm giảm thiểu tải đỉnh giờ cao điểm và chuyển sang vận hành giờ thấp điểm Đồng thời, quá trình xả băng với lượng lưu trữ băng lớn cũng đảm bảo cho mục đích sử dụng Ngoài ra, mô hình lý thuyết cho công nghệ này còn tập trung vào các số liệu thiết kế quan trọng để đạt được năng lượng tích trữ và công suất lớn Đối với những nghiên cứu cùng công suất, tốc độ dòng chảy, nhưng khác nhau về nhiệt độ, và kích thước là những thông số quan trọng được nêu ra trong việc đánh giá của thử nghiệm này Ngài ra tác giả còn chỉ ra được công suất tích trữ lạnh đạt được từ 30 đến 80 kW/m3

3

Hình 1.1: Sơ đồ thí nghiệm chất biến đổi pha trong tích trữ lạnh [1]

Benjamin và các cộng sự [2] đã giới thiệu một hệ thống tích trữ kết hợp tích trữ băng theo mùa, khối băng được lưu trữ mùa đông nới có nhiệt độ thấp Bồn tích trữ lạnh tích trữ dưới dạng khối băng, trong bồn mang nguồn năng lượng lạnh dữ trữ lớn Vào mùa hè, băng được bảo quản được trích xuất để làm lạnh và sau đó băng tan được sử dụng như một phương tiện làm lạnh để trữ nước trữ lạnh Trong trường hợp thiếu tải, hệ thống tích trữ sẽ vận hành chiller water bổ sung cho hệ thống Bài báo đã nêu lên nguyên nhân chưa được thương mại hóa do chi phí kinh

tế còn cao Ngoài ra, tác giải chi ra được tiềm năng hệ thống tích trữ lạnh làm giảm tải điện vào mùa hè do vận hành xả tải hệ thống tích trữ lạnh theo mùa

H.S Bao và các cộng sự [3] đã nghiên cứu một hệ thống làm lạnh hấp thụ nhiệt Mangan clorua và amoni clorua đã được sử dụng như là muối nhiệt độ cao và muối nhiệt độ thấp tương ứng và ammoniac đã được sử dụng như phản ứng dạng khí Kết quả chỉ ra rằng, hiệu quả hoạt động (COP) và năng suất lạnh riêng (SCP) được đánh giá ở nhiệt độ nguồn nhiệt khác nhau (140 đến 170°C) và nhiệt độ làm lạnh (-15 đến 5°C) Hệ số COP thu được ở các điều kiện này dao động từ 0,20 đến 0,31, trong khi năng suất lạnh riêng (SCP) dao động từ 87 đến 125 W trên mỗi kilogram MnCl Như vậy, chúng còn tùy thuộc vào công việc, điều kiện và phương pháp sử dụng

4

Công nghệ tích trữ lạnh kết hợp với chất biến đổi pha mới để ứng dụng trong

hệ thống điều hòa không khí Xiao-Yan Livà cộng sự [4] đã nghiên cứu và khảo sát chất biến đổi pha, tìm ra một chất biến đổi pha mới kết hợp với công nghệ tích trữ lạnh Qua viêc khảo sát thực nghiệm bồn tích trữ lạnh có sử dụng loại tích trữ dạng khối cầu, nghiên cứu này đã được tập trung phát triển với mục đích xác định được đặc tính nhiệt động của chúng như mô tả Hình 1.2 Sau khi vận hành hệ thống lạnh

để tích trữ tại bồn số (9), bơm P12 (10) vận chuyển chất tải lạnh vào bồn trữ đã chứa sẵn các khối cầu có sử dụng chất biến đổi pha Bên cạnh đó, tác giả kết hợp

mô phỏng và thực nghiệm quá trình xả băng của bồn tích trữ lạnh để nghiên cứu và

áp dụng cho hệ thống điều hòa không khí Nghiên cứu này đã chỉ ra những ảnh hưởng của nhiệt độ bên trong sự truyền nhiệt của dòng chất lỏng, hệ số Stefan, tỉ lệ lưu lượng truyền nhiệt của chất lỏng, công suất tích trữ lạnh trong tích trữ năng lượng của nhiệt ẩn, nghiên cứu cũng đã chỉ ra các kết quả như sau: (1) Công suất xả tải tăng nhanh hơn khi tốc độ dòng HTF(Heat Transfer Fluid) lớn hơn đầu vào, tốc

độ dòng chất lỏng càng tăng dẫn đến hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trao càng lớn sẽ có lợi cho quá trình truyền nhiệt của chất lỏng (2) Sử dụng kết quả đo DSC (dissferential scaning calorimeter), chất biến đổi pha mới HS-2 sử dụng trong nghiên cứu này có điểm nóng chảy ở nhiệt độ 8,5 ºC và điểm liên kết ở nhiệt độ 7,4

ºC (3) Hệ số Stefan cao dẫn đến nhiệt độ đầu vào cao do đó dẫn đến thời gian tan băng sẽ giảm lại (4) Nhiệt độ chất lỏng truyền nhiệt đầu vào càng cao dẫn đến thời gian xả băng ngắn lại đồng thời hệ số Stefan cao

Hình 1.2: Sơ đồ thực nghiệm hệ thống lạnh [4]

cơ sở đã thông qua thí nghiệm kiểm tra đồng thời kết hợp so sánh, và những phương pháp như sau: làm mát liên tục, tắt tủ lạnh trong khi các tinh thể băng bắt đầu xuất hiện, làm lạnh và thêm TBAB CHS vào TBAB để làm lạnh dung dịch nước Kết quả thí ngiệm chỉ ra rằng, phương pháp làm lạnh liên tục sẽ dẫn đến sự kết tinh của tinh thể bám trên vách ống của bộ trao đổi nhiệt

Với phương pháp tích trữ lạnh kết hợp chất biến đổi pha (Phase change material) để cải thiện hiệu quả của hệ thống điều hòa không khí phù hợp X.Q.Zhai cùng các cộng sự [7] nghiên cứu nhiệt độ thay đổi pha và mật độ tích trữ lạnh Theo

đó nghiên cứu này được mô tả theo 3 chu trình như sau: với (cycle 1) hệ thống chiller vận hành và nạp tải vào thiết bị; với (cycle 2) chu trình 1 ngừng lại sau khi thiết bị tích trữ đã nạp đủ tải từ chiller water bơm vận chuyển nước lạnh đến hệ thống điều hòa không khí xả tải; với (cycle 3) chiller water sẽ bổ sung tải trong khi thiết bị tích trữ không đủ tải cho hệ thống điều hòa như Hình 1.3 Nghiên cứu chỉ ra rằng hầu hết các chất biến đổi pha trong hệ thống tích trữ lạnh đều có độ khuyết tán thấp, sự truyền nhiệt đối lưu cung cấp năng lượng cho quá trình tan chảy nhận năng lượng từ quá trình hóa rắn Các chất ethylene glycol, propylene glycol, polymer đều

là các chất có khả năng sử dụng làm chất tích trữ lạnh trong tương lai Bên cạnh đó, tác giả đã nêu lên việc nâng cao hiệu quả tích trữ lạnh trong điều kiện không ổn định, nhiệt độ nước lạnh tương đối cao được sản suất bởi hệ thống năng lượng cấp

6

Hình 1.3: Sơ đồ nghiên cứuhệ thống tích trữ lạnh có chất PCM [7]

Xiwen Cheng và các cộng sự [8] đã nghiên cứu và đề xuất một chất có khả năng thay đổi pha với mục đích để lưu trữ năng lượng ở nhiệt độ thấp (CTES), với phương pháp tích trữ lạnh bằng cách sử dụng nhiều vật liệu biến đổi pha (PCM) Nghiên cứu cũng chỉ ra mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt, bao gồm tỷ lệ tích trữ lạnh, mật độ tích trữ lạnh với số lượng lớn, đồng thời mức độ chính xác của đơn vị CTES đã giảm so với các đơn vị CTES trong cùng một giai đoạn

E Oró và các cộng sự [9] đã nghiên cứu và xem xét tính năng của vật liệu chuyển đổi pha (PCM) làm tăng mật độ truyền nhiệt trên bề mặt vật liệu, và ảnh hưởng của chúng đến công nghệ tích trữ lạnh trong chất lượng thực phẩm Hơn 88 mẫu vật liệu có thể được sử dụng làm chất biến đổi pha và khoảng 40 chất biến đổi pha có sẵn tính thương mại Bên cạnh đó những ứng dụng của chất biến đổi pha ở nhiệt độ thấp có thể được tìm thấy, một trong số đó dùng để tích trữ băng

Qinghua Yu cùng các cộng sự [10] đã nghiên cứu vật liệu chuyển đổi pha (PCM) dạng đá bột đã được xử lý từ MEPCMSs để đạt nhiệt độ phù hợp cho việc ứng dụng vào hệ thống tích trữ lạnh Theo sơ đồ hình 1.4 mô tả bên trong lõi ống chứa chất lỏng có khả năng thay đổi pha, lớp bên ngoài là chất rắn biến đổi pha

7

Quá trình hóa rắn bắt guồn từ tâm ống ra bên ngoài ống với những đặc điểm như sau: sự thay đổi nhiệt độ xuống J (DJ), chúng được cấu tạo làm vật liệ lõi và melamine formaldehyde (MF),lớp vỏ là thành phần chính từ vật liệu DJ Vật liệu trên là hỗn hợp chất thơm với diethylbenzene, chúng được xem như một thành phần chính Vật liệu cấu tạo nên lớp vỏ là hợp chất được đảm bảo để tránh sự phá vỡ bởi khi thêm aluminium oxide (Al2O3), hạt nano hoặc đồng phủ trong trên vỏ FM

Hình 1.4: Mô hình nghiên cứu thí nghiệm chất biến đổi pha [10]

Shengchun Liua và các cộng sự [11] đã nghiên cứu sự tác động của nồng độ không đồng nhất và chất gây tác động lên nhiệt độ sấy, sau đó chúng được làm lạnh trở lại Ngoài ra còn tạo nên chuỗi nucleotit không đồng nhất trên bề mặt nhôm, đồng Kết quả nghiên cứu cho thấy, hầu hết mật độ truyền nhiệt trên bề mặt vật liệu không bằng phẳng và nồng độ chất gây ra tác dụng làm hạn chế quá trình tạo chuỗi, bên canh đó, tác giải cũng thể chỉ ra nhiệt độ đọng sương và năng lượng nano không đồng nhất với nhau Tóm lại, nhiệt độ đóng băng tăng lên hoặc hạ xuống và năng lượng không đồng nhất sẽ giảm xuống tương ứng với độ nhẵn của bề mặt vật liệu trở nên gồ ghề sẽ hơn A Lopez-Navarro cùng các cộng sự [12] đã thể hiện đường cong enthalpy, nhiệt độ và mật độ cụ thể được đo cho các chất paraffin Hiệu suất của bể đã được phân tích dựa trên các chất biến đổi pha, hiệu quả, phần phản ứng và tổng lượng nhiệt truyền của bể Kết quả cho thấy có thể đạt đến 78% công

8

suất tối đa trong vòng 4 giờ Hiệu quả hoạt động chủ yếu được kiểm soát bởi nhiệt

độ cung cấp và ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy gần như không đáng kể

Tadafumi và cộng sự [13] đã nghiên cứu vật liệu lưu trữ tạo thành đá bột có thể duy trì được dung tích lớn cho nhiệt độ làm việc Chất rắn kết hợp trên các bề mặt truyền nhiệt hình thành một lớp chịu nhiệt và giảm đáng kể tỷ lệ lưu trữ Do đó, điều quan trọng để tránh sự kết tinh của một lớp rắn dày trên bề mặt để thực hiện hiệu quả quá trình tích trữ năng lượng Tetra-n-butyl amoni bromua (TBAB) clathrat hydrate có các tính chất của một vật liệu lưu trữ hiệu quả Lucio Melone và cộng sự [14] đã sử dụng nguyên liệu vật liệu thay đổi pha (PCM) để thiết kế tích trữ lạnh Các vật liệu thu được cho thấy khả năng duy trì nhiệt độ bên trong trong một khoảng thời gian gấp 10 lần khi so sánh với một vật liệu cellulose tương tự có độ dày 2 cm Kết quả thí nghiệm đã được đánh giá bằng cách xem xét các tham số nhiệt vật liệu như đồng nhất

Nuno Vitorino và các cộng sự [15] đã nghiên cứu dung dịch ngậm nước của graphite có hình dạng ổn định bằng việc bổ sung collagen như vật liệu biến đổi pha cho trữ lạnh với tính dẫn nhiệt tăng lên Nghiên cứu chỉ ra rằng, độ dẫn nhiệt tăng gấp đôi do bằng cách thêm khoảng 20% trọng lượng graphite Phản ứng sơ bộ qua

từ -10°C cho đến nhiệt độ phòng, nhưng quá trình thay đổi pha vẫn xảy ra ở khoảng 0°C Có thể giám sát chúng bằng cách theo dõi nhiệt độ tại trung tâm của một tế bào hình trụ

Sự phân tích kết hợp với đánh giá những lợi ích của việc tối ưu và quản lý các quá trình điều khiển trong việc tích trữ băng, được M.D Murphy cùng các cộng

sự [16] đã tập trung vào bộ điều khiển được sử dụng cho một khối băng, với dàn bay hơi (2) đặt trực tiếp trong bồn Nước được tuần hoàn vào và ra vị trí (7,8) mang năng lượng tích trữ được từ dàn trao đổi nhiệt Nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng, lợi ích về chi phí điện và lưới điện đã được thực hiện bằng cách kiểm soát bộ điều khiển này trong trạng thái theo dõi chuyển tải băng đã được kiểm tra trong thời gian thực tế của giá điện

9

Hình 1.5: Sơ đồ thiết bị nghiên cứu thí nghiệm đánh giá trữ lạnh [16]

Jing Pu và cộng sự [17] đã nghiên cứu dựa trên phương pháp phân tích đánh giá phương pháp tích trữ lạnh và hiệu quả của việc kết hợp hệ thống trữ lạnh dạng băng (ITS) Hệ thống sử dụng phương pháp tích trữ nhiệt ẩn được thể hiện qua sơ

đồ nguyên lý như hình 1.6, vận hành hệ thống tích trữ băng vào bồn dưới dạng bột

đá Bên dưới đáy bồn bố trí một nhánh kết nối với bơm để vận chuyển nước muối làm chất tải tải lạnh chuyển từ đáy bồn lên mặt trên đỉnh bồn và xả xuống, đồng thời kết hợp với dàn bay hơi nhúng trong bồn Trong khi đó, bên trong bồn xảy ra quá trình trao đổi nhiệt bắt đầu xuất hiện lớp băng mỏng Nghiên cứu này, tác giả cũng đề cập đến công nghệ tích trữ lạnh cho hệ thống điều hòa không khí, và nêu lên những vấn đề của các quá trình tiêu thụ năng lượng tạo ra tại tải đỉnh đã được điều chỉnh phù hợp Ngoài ra, kết quả nghiên cứu trên cho thấy tổng tiêu thụ tích trữ của tất cả các quy trình tiêu thụ điện năng được cung cấp tại khung giờ cao điểm tăng khi hệ thống ITS được áp dụng rộng rãi

10

Hình 1.6: Sơ đồ nghiên cứu hệ thống tích trữ lạnh dạng bột đá [17]

Yeuhong Bi và các cộng sự [18] đã nghiên cứu sự giảm năng lượng Entropy cho quá trình tích trữ và xả tải của hệ thống trữ lạnh khi sử dụng khí hydrate Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, những đặc tính tối ưu của hệ thống lưu trữ lạnh-hydrate có thể là đạt được bằng cách giữ nguyên tỷ lệ chất thay đổi pha Đồng thời

có thể điều chỉnh và kiểm soát theo tốc độ truyền nhiệt liên tục trong quá trình nạp

và xả hydrat Ngoài ra, việc phân tích sự thay đổi Entropy cho quá trình tích trữ và

xả tải để ứng dụng trong thiết kế tối ưu của hệ thống tích trữ lạnh bằng hydrate

Changjiang Wang [19] cùng cộng sự đã nghiên cứu và đánh giá hiệu suất của vật liệu biến đổi pha, chất tải lạnh ứng dụng công nghệ tích trữ lạnh trong toà nhà Qua nghiên cứu này, tác giải đưa ra phương pháp tích hệ thống trữ lạnh dựa trên chất tải lạnh là nước/băng làm vật liệu biến đổi pha Bên cạnh đó, hiệu suất của phương pháp tích trữ lạnh nêu trên đã được kiểm chứng qua thực nghiệm và kết hợp

sử dụng phương pháp mô phỏng số Ngoài ra tác giải nếu lên đặc tính chất tải lạnh

sử dụng là nước có khả năng tích trữ được năng lượng Kết quả cho thấy nước/băng

là một vật liệu biến đổi pha đầy hứa hẹn, vì mật độ nhiệt ẩn cao

Wen-Shing Lee và các cộng sự [20] đã nghiên cứu công nghệ tích trữ băng cho hệ thống điều hòa không khí được ứng dụng tại một văn phòng của tòa nhà, hệ

11

thống tích trữ băng được thể hiện như sơ đồ hình 1.7 Sơ đồ thể hiện nguyên lý hệ thống điều hòa không khí water chiller được kết hợp với bồn trữ băng, quá trình vận hành hệ thống làm lạnh được bơm chuyển năng lượng lạnh vào trữ bồn Nghiên cứu chỉ ra rằng, với các tham số thích hợp, thuật toán dòng hạt có thể có hiệu quả áp dụng cho việc tối ưu hóa hệ thống điều hòa không khí tích trữ băng Ngoài ra, năng lựơng tối ưu có thể thu được từ bể trữ đá cho hệ thống Kết quả nghiên cứu còn chỉ

ra rằng việc tối ưu hóa các dòng hạt áp dụng hiệu quả đối với việc sử dụng hệ thống điều hòa không khí kết hợp công nghệ tích trữ lạnh, và xem xét các yếu tố hạn chế ở các hệ thống khác, vấn đề tiêu thụ năng lượng đồng thời đề cập đến việc phát thải khí CO2

Hình 1.7: Sơ đồ nghiên cứu thí nghiệm tích trữ lạnh [20]

12

1.2.2 Nghiên cứu trong nước

TS Nguyễn Thế Bảo và cộng sự đã nghiên cứu và tính toán thiết kế bồn tích trữ với năng suất tính trữ lạnh 4000 kW/h [21] và thời gian tích trữ lạnh là 10 giờ dựa trên nguyên lý dạng băng tan nước chảy trong ống và sử dụng chất chuyển đổi pha PCM là Glycol Bên cạnh đó, tác giả còn đi sâu vào phân tích chi phí tiết kiệm việc

sử dụng cộng nghệ tích trữ lạnh Nghiên cứu này phù hợp việc ứng dụng cho các tòa nhà ở Việt Nam nhằm góp phần vào tiết kiệm điện và giảm thiểu chi phí năng lượng đang thiếu hụt hiện nay Ngoài ra, tác giả nêu lên nguyên nhân hệ thống chưa được

thương mại hóa do chi phí ngoại nhập cho bồn tích trữ lạnh rất cao

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm tích trữ lạnh [21]

Vy [22] đã nghiên cứu đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ tích lạnh cho các hệ thống điều hòa không khí của nước ta với mục đích nâng cao hiệu quả sử dụng để tiết kiệm năng lượng Bài báo này cũng đã đề cật đến phương pháp tính toán thiết kế bồn lý thuyết tích trữ lạnh và so sánh những lợi ích kinh tế khi sử dụng hệ thống tích trữ lạnh với việc không sử dụng hệ thống có kết hợp tích trữ lạnh Ngoài ra tác giải nêu lên nguyên nhân do điều kiện phát triển công nghệ

13

tích trữ lạnh nước ta còn mới mẻ, đồng thời cũng chỉ ra hướng sử dụng điều hòa

không khí cho từng hộ gia đình ở nước ta

Hình 1.9: Mô hình thí nghiệm tích trữ lạnh [22]

Hương [23] đã nghiên cứu đánh giá tiềm năng và tính toán thiết bị cho công nghệ tích trữ lạnh để dứng dụng hệt hống Water Chiller tại san bay Đà Nẵng Bên cạnh đó, bài báo này tập trung đến việc ứng dụng và nêu lên tầm quang trọng của tích trữ lạnh trong hệ thống điều hòa không khí Việc đánhgiá và so sánh chi phí ứng dụng công nghệ tích trữ lạnh trong hệ thống điều hòa không khí ở nước ta đã được nêu lên Tác giả đã chỉ ra được nguyên nhân chưa thương mại hóa công nghệ tích trữ lạnh và đời sống nước ta do nguyên nhân chính là chi phí phải đầu tư cho công nghệ cao so với điều kiện kinh tế nước ta

1-Đường nước vào; 2-PCM; 3-Đường nước ra; 4-Ống nước; 5-Cách nhiệt

Hình 1.10: Cấu tạo thiết bị tích trữ lạnh trong nghiên cứu [23]

14

Hiển [24] và cộng sự đã nghiên cứu vật liệu chuyển đổi pha trữ nhiệt gốc paraffin cho các ứng dụng trong việc tiết kiệm năng lượng Nghiên cứu này chỉ ra rằng, đặc trưng tính chất nhiệt của mẫu paraffin ban đầu đã được xác định Điều đó cho thấy khả năng sử dụng làm vật liệu chuyển pha là phù hợp với các ứng dụng ở vùng nhiệt độ 50 đến 600C Những thay đổi về tính chất của paraffin theo hướng pha tạp với axit béo làm giảm nhiệt độ chuyển pha, nghiên cứu này phù hợp cho các ứng dụng ở vùng nhiệt độ thấp hơn Do đó, tính chất này làm giảm một phần nhiệt lượng trong quá trình chuyển đổi pha, dẫn đến khả năng giảm một phần hiệu suất trữ nhiệt

Trên cơ sở việc tổng quan các bài báo trong và ngoài nước về nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo hệ thống thực nghiệm cụ thể bồn tích trữ lạnh sử dụng trong hệ thống Water Chiller có kết hợp làm lạnh bằng chất biến đổi pha Có thể nói rằng, đây một cái nhìn cụ thể hơn về công nghệ tích trữ lạnh và thực nghiệm chế tạo bồn tích trữ lạnh trong thời gian tới Do đó ta rút ra một số nhận xét như sau:

Một là công nghệ tích trữ lạnh trong hệ thống water chiller là hệ thống lớn, quá trình thiết kế chế tạo và thi công phức tạp

Hai là bố trí bộ trao đổi nhiệt trong bồn phải phù hợp và đảm bảo rằng quá trình trao đổi nhiệt bên trong bồn diễn ra hiệu quả nhất Bên cạnh đó quá trình trao đổi nhiệt bên trong bồn tích trữ lạnh diễn ra phức tạp nhưng phải đảm bảo rằng nhiệt độ trong bồn tương đối đạt nhiệt độ ở giai đoạn tích trữ

Ba là quá trình thực nghiệm vận hành hệ thống water chiller kết hợp tích trữ lạnh diễn ra hai giai đoạn: giai đoạn tích trữ lạnh vào bồn; giai đoạn xả lạnh từ bồn đến thiết bị FCU Cả hai giai đoạn này đều phải phối hợp trong thời gian trên 12 giờ mới đảm bảo hiệu quả tương đối

Cuối cùng xác định được trong quá trình thực nghiệm vận hành hệ thống đánh giá được chi phí điện của công nghệ tích trữ lạnh ưu việc hơn khi vận hành hệ thống Water Chiller 100%

Kết luận qua các nghiên cứu đã trình bày từ tổng quan ở trên, có các vấn đề chưa làm rõ: Thứ nhất là, hầu hết nghiên cứu nước ta chưa thực nghiệm thiết kế chế

15

tạo bồn tích trữ lạnh cụ thể cho hệ thống Water Chiller vận hành thực tế, thứ hai là chưa chỉ ra cách bố trí bộ trao đổi nhiệt bên trong bồn tích trữ lạnh như thế nào cho quá trình trao đổi nhiệt diễn rahiệu quả nhất, thứ ba là chưa chạy kết hợp hệ thống thực tế chạy thực nghiệm thực tế chất biến đổi pha trong công nghệ tích trữ lạnh cho

hệ thống Water Chiller.Vậy nên việc nghiên cứu"nghiên cứu thiết kế chế tạo bồn tích trữ lạnh sử dụng trong hệ thống điều hòa không khí Water Chiller công suất 360,000Btu/h" là cần thiết

Trong nghiên cứu này tập trung sử dụng công nghệ tích trữ lạnh kết hợp một vòng tuần hoàn môi chất qua bình bay hơi và không sử dụng dàn lạnh trực tiếp trong bồn, theo sơ đồ đề xuất cho nghiên cứu cho hệ thống này thể hiện Hình 1.11

1-Máy nén bình ngưng; 2-Van tiết lưu; 3- Bồn trữ lạnh; 4-Bơm nước lạnh; 5-Van

chặn; 6- AHU; 7- Tháp giải nhiệt; 8- Bơm nước giải nhiêt

Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ lạnh đề xuất nghiên cứu [25]

16

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

 Đề tài này tập trung nghiên cứu thông số truyền nhiệt, đề ra phương pháp tính toán thiết kế bồn tích trữ lạnh

 Trên cơ sở đã thiết kế, tiến hành chế tạo bồn tích rữ lạnh và vận hành hệ thống tích trữ lạnh, đồng thời đánh giá và so sánh hiệu quả hệ thống tích trữ thông qua các quá trình thực nghiệm, đồng thời rút ra kết luận về hiệu quả tiết kiệm chi phí năng lượng

1.4 Giới hạn đề tài

 Trong đề tài này tập trung nghiên cứu tính toán thiết kế bồn tích trữ lạnh và

bố trí bộ trao đổi nhiệt bên trong bồn phức tạp do bồn có kích thước khá lớn dẫn đến việc bố trí bộ trao đổi nhiệt còn khó khăn do kích thước bồn tích trữ lớn

 Thực nghiệm bố trí các thiết bị để đo đạt thông số tại các điểm để xác định nhiệt độ tương đối với các giai đoạn vận hành hệ thống rất phức tạp vì hệ thống trong nghiên cứu này là có quy mô lớn

 Trong quá trình vận hành hệ thống để thực nghiệm xác định các thông số, thành phố Hồ Chí Minh vào thời điểm tháng 3, cho nên nhiệt độ môi trường rất cao dẫn đến việc ảnh hưởng đáng kể quá trình tích trữ và xả tải

 Thời gian vận hành tích trữ lạnh diễn ra chậm hơn do nhiệt độ môi trường quá cao do đó rất khó để đạt nhiệt độ nạp và xả tải tốt nhất, ngoài ra không gian xưởng nhiệt chưa hoàn toàn kín nên ảnh hưởng đến quá trình vận hành

xả tải, dẫn đến quá trình xả tải chạy máy lạnh không đạt nhiệt độ lý tưởng 17

ºC

1.5 Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu tổng quan: Tổng quan các nghiên cứu liên quan, đưa ra động lực nghiên cứu cho đề tài này

 Nghiên cứu lý thuyết

 Thiết kế mô hình

Tính toán, thiết kế cấu trúc, sửa đổi và chế tạo thiết bị, hệ thống

17

 Nghiên cứu thực nghiệm

Lắp đặt hệ thống thực nghiệm, chạy thí nghiệm

 Phân tích và đánh giá kết quả

So sánh những kết quả của nghiên cứu này với các kết quả ở các báo được xuất bản trên các tạp chí uy tín ở trong và ngoài nước

18

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lý thuyết trao đổi nhiệt

Truyền nhiệt là một quá trình phức tạp, diễn ra đồng thời với giai đoạn sau: Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt bằng đối lưu

Dẫn nhiệt là một trường hợp của truyền nhiệt nhiệt năng từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt độ thấp

Trao đổi nhiệt đối lưu: là quá trao đổi nhiệt xảy ra khi có sự truyền nhiệt giữa chất lỏng với bề mặt vật rắn và dòng chuyển chuyển động đồng thời có nhiệt độ khác nhau Đây là quá trình xảy ra tự nhiên giữa bề mặt ống và chất lỏng bên ngoài ống Quá trình trao đổi này có sự dẫn nhiệt, thẩm thấu từ nơi có vùng nhiệt độ cao sang nơi có vùng nhiệt độ thấp

Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức trong ống: Đối với trường hợp chất lỏng chảy trong ống ta có thể phân ra thành hai chế độ chuyển động chất lỏng cơ bản như sau: Chuyển động trong ống theo hình thức chảy tầng; chuyển động trong ống theo hình thức chảy rối

Trong quá trình tính toán một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt như: hệ số tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên; hệ số tỏa nhiệt cưỡng bức, tổn thất áp suất trong đường ống, tổn thất ma sát

Q F

19

Hệ số tỏa nhiệt của chất tải lạnh là nước chảy bên trong ống là : 1

Hệ số tỏa nhiệt của nước chảy trong ống là  được xác định như sau: 1

Nhiệt độ trung bình là:

) (

Pr

t Cp

Nước chuyển động trong ống và đi vào bồn tích trữ lạnh được phân thành 9 nhánh,

do đó ta có lưu lượng trong một nhánh là:

1 1

2 1 1

1 1

4

n

d z

f

Nu 1 0 , 021  (Re 1)0,8 (Pr1)0,43 1 (2-7)

Khi giả thuyết chiều dài của một nhánh ống L lớn hơn 50d ta có hệ sốl =1 Ở đây

vì phần uốn cong của ống nhỏ so với toàn bộ chiều dài ống nằm ngang nên hệ số R

=1, A = 1

Hệ số trao đổi nhiệt của Propylen bên ngoài ống : 2

Tính hệ số tỏa nhiệt của chất tích trữ lạnh Propylen bên ngoài ống là ta làm như 2sau:

Hình 2.1: Sơ đồ truyền nhiệt qua vách

) (

3 2 2 2

opylen

t d g

21

)Pr

1ln

k







Tính độ chênh lệch nhiệt độ trung bình

Độ chênh nhiệt độ trung bình được tính bởi công thức: Tính độ chênh nhiệt độ trung bình:

'' '

'' '

ln

t t

t t

22

2.3 Lý thuyết quá trình biến đổi pha

Vật liệu biến đổi pha PCM (Phase Change Material) là chất có khả năng lưu trữ năng lượng đẳng nhiệt, nhiệt độ nóng chảy thấp Ở trạng thái lỏng, vật liệu này

có khả năng thay đổi nhiệt độ xuống thấp nếu kết hợp tác động nhiệt độ và áp suất Khi nhiệt độ xung quanh chúng hạ thấp, các chất biến đổi pha sẽ thay đổi theo mức nhiệt của nó đồng thời thay đổi pha từ lỏng sang rắn và mang theo nguồn năng lượng rất đáng kể cho quá trình nạp tải và xả tải [27]

Quá trình tích trữ lạnh: Các chất biến đổi pha nhận nhiệt khi nhiệt độ làm lạnh hạ xuống thấp, chúng có khả năng tích trữ năng lượng Entalpy Nguồn năng lượng này được lưu lại suốt quá trình nạp tải

Quá trình xả tải: Kết thúc quá trình nạp tải như trên, nguồn năng lượng được tích trữ kèm với nhiệt độ thấp sẽ được trao đổi nhiệt này làm mát không gian cần thiết

Hình 2.2: Sơ đồ truyền nhiệt qua khối trụ [27]

Trong quá trình làm thí nghiệm mô tả sự thay đổi nhiệt độ, chuyển qua sang trạng thái khác có nhiều yếu tố tác động đến kết quả cụ thể như là: Nhiệt độ môi trường xung quanh; Nhiệt ẩn; Nhiệt dung riêng

23

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

3.1 Tính toán thiết kế bồn tích trữ

3.1.1 Thiết kế dàn ống trao đổi nhiệt năng suất lạnh Q 0 = 360,000 BTU/h

- Năng suất lạnh Q = 360,000 BTU/h = 105.4 kW Ngoài ra, để xác định công suất của của water chiller dựa vào quy đổi từ công suất máy nén lạnh của hệ thống

- Nhiệt độ nước ra khỏi bồn tích trữ: ''

24

Trong nghiên cứu này, tác giả lựa chọn ống PVC với chi phí đầu tư thấp, dễ lắp đặt và trí trong quá trình gia công Đồng thời đặc tính vật liệu PVC phù hợp trong quá trình trao đổi nhiệt trong bồn

 Chọn kích thước danh nghĩa D = 21mm

 Chọn đường kính ngoài của ống dng= 21,4mm = d2

 Tra Catalogue ống PVC ta chọn chiều dày ống là 1,6mm

k

Q

F

0 0 0

1ln

2

1

+ λ = 0,38 (W/m.K độ) [25] hệ số dẫn nhiệt của qua vách phẳng

+  − chiều dày vách Ống được xem như vách trụ do đó ta có được công thức tính như sau:

3 1

2 ) 0,5 (0,0214 0,0182) 1,6 10(

25

 Hệ số tỏa nhiệt của nước chảy bên trong ống là  : 1

Hệ số tỏa nhiệt của nước chuyển động trong ống là  ta làm như sau: 1

Nhiệt độ trung bình của nước là:

C t

4,105

0 1

Nước chuyển động trong ống và đi vào bồn tích trữ lạnh được phân thành 9 nhánh,

do đó ta có lưu lượng trong một nhánh là:

1 1

z

G

n

/ 56 , 2 1000 0182

, 0 14 , 3 9

03 , 5 4 4

2 1

1

1 1

1 3 , 5 10

10 33 , 1

0182 , 0 56 , 2

f

Nu 1  0 , 021  (Re 1)0,8 (Pr1)0,43 1

Khi giả thuyết chiều dài của một nhánh ống L lớn hơn 50d ta có hệ số  =1 Ở đây 1

vì phần uốn cong của ống nhỏ so với toàn bộ chiều dài ống nằm ngang nên hệ số R

5 , 9 ( ) 10 5 , 3 ( 021

26

74 , 7515 0182

, 0

10 3 , 57 72 , 238

2

1

1 1

 Hệ số trao đổi nhiệt của Propylen Glycol bên ngoài ống  : 2

Tính hệ số tỏa nhiệt của Propylen bên ngoài ống là  ta làm như sau: 2

Nhiệt độ của Propylen là: tf1= -20C, tf2 = 50C tại nhiệt độ nước, nhiệt độ vách trong, chọn nhiệt độ vách ngoài của ống là tw2= 40C

Do đó ta có: Tm= 0,5(tw2+ tf2) = 0,5(4+5) = 4,50C

C t

/ 471 , 2 ,

/ 6 ,

2  kg m Cp  kJ kg K    W m K



4 2

2 6

2  0 , 21  10 m /s; Pr  2 , 3  10



Theo tiêu chuẩn Grashoft ta có:

47088739)

1021,0)(

5,4273(

60214,08,9

2 6 3 2

Pr

3 2 2

2 2

1 4 4

1 2

2 CRa   Ra    

K m W d

0214 , 0

10 3 , 121 504 ,

1ln

2

1

k







27

21,12518,33170214,0

10182

,0

0214,0ln38,02

174,7515

'' '

ln

t t

t t

t

t'' Water'  Pr' opylen  12  (  2 )  160



C t

t t

'' '

'' '

16,129

16ln

916ln

0 69 , 22

16 , 12 21 , 125

10 4 , 105

m t

22,69

Bố trí 10 nhánh nằm ngang chính được kết nối qua ống góp chính

Chiều dài ống bố trí 3m, khoảng cách giữa các hàng ống ngang là 200mm

Khoảng cách mỗi ống trong 1 hàng là 135 mm

Với năng suất lạnh Q = 360,000 BTU/h = 105.4 kW ta tính toán ra số lượng ống trong bồn tích trữ lạnh là 460 ống kích thước bồn: LxWxH: 3,7 m x 3,5m x 2.8 m Với kích thước bồn rất lớn dẫn đến việc gia công và thực nghiệm khó có thể đáp ứng được

28

 Do đó, tác giả nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo bồn

tích trữ lạnh cho hệ thống điều hòa không khí Water Chiller công suất 360,000 BTU/h” xin đề suất tính toán thiết kế với năng suất lạnh 20kW 3.1.2 Thiết kế dàn ống trao đổi nhiệt với năng suất lạnh = 20kW

Công suất bồn tích trữ theo quy đổi công suất lạnh của hệ thống chiller Tuy nhiên, trong quá trình tính toán thiết kế, kích thước bồn quá lớn, rất khó khăn trong việc chế tạo và nghiên cứu nên giảm kích thước bồn tích trữ xuống 20kW

- Năng suất lạnh Q = 20 kW

- Tra bảng 3.1 Catalogue ống nhự PVC Bình Minh, ta chọn các thông số sau:

 Chọn kích thước danh nghĩa D = 21mm

 Chọn đường kính ngoài của ống dng= 21,4mm = d2

 Tra Catalogue ống ta chọn chiều dày ống là 1,6mm

k

Q

F

0 0 0

1ln

2

1

29

+ −hệ số dẫn nhiệt của uPVC, W/m.K

+ λ = 0,38 (W/m.K độ) [25] hệ số dẫn nhiệt của qua vách phẳng

+  − chiều dày vách Ống được xem như vách trụ do đó ta có được công thức tính như sau:

3 1

2 ) 0 , 5 ( 0 , 0214 0 , 0182 ) 1 , 6 10 (

 Hệ số tỏa nhiệt của nước chảy bên trong ống là  : 1

Hệ số tỏa nhiệt của nước chuyển động trong ống là  ta làm như sau: 1

Nhiệt độ trung bình của nước là:

C t

20

0 1

Nước chuyển động trong ống và đi vào bồn tích trữ lạnh được phân thành 9 nhánh,

do đó ta có lưu lượng trong một nhánh là:

1 1

z

G

n

/ 405 , 0 1000 0182

, 0 14 , 3 9

95 , 0 4 4

2 1

1

1 1

1 1 , 55 10

10 33 , 1

0182 , 0 405 , 0

f

Nu 1  0 , 021  (Re 1)0,8 (Pr1)0,43 1

30

Khi giả thuyết chiều dài của một nhánh ống L lớn hơn 50d ta có hệ số  =1 Ở đây 1

vì phần uốn cong của ống nhỏ so với toàn bộ chiều dài ống nằm ngang nên hệ số R

5 , 9 ( ) 10 55 , 1 ( 021

, 0

10 3 , 57 42 , 124

2

1

1 1

 Hệ số trao đổi nhiệt của chất tích trữ lạnh Propylen bên ngoài ống  : 2

Tính hệ số tỏa nhiệt của Propylen bên ngoài ống là  ta làm như sau: 2

Nhiệt độ của Propylen là: tf1= -20C, tf2 = 50C tại nhiệt độ nước, nhiệt độ vách trong, chọn nhiệt độ vách ngoài của ống là tw2= 40C

Do đó ta có: Tm= 0,5(tw2+ tf2) = 0,5(4+5) = 4,50C

C t

/ 471 , 2 ,

/ 6 ,

2  kg m Cp  kJ kg K    W m K



4 2

2 6

2  0 , 21  10 m /s; Pr  2 , 3  10



Theo tiêu chuẩn Grashoft ta có:

47088739)

1021,0)(

5,4273(

60214,08,9

2 6 3 2

Pr

3 2 2

2 2

1 4 4

1 2

2 CRa   Ra    

31

K m W d

0214 , 0

10 3 , 121 504 ,

1ln

2

1

10182

,0

0214,0ln38,02

117,3917

'' '

ln

t t

t t

t

t'' Water'  Pr' opylen  12  (  2 )  160



C t

t t

'' '

'' '

16,129

16ln

916ln

0 13 , 67

11 , 12 3 , 120

10 20

m t

9,13

32

Chiều dài ống bố trí 2,5m, khoảng cách giữa các ống là 135mm

Khoảng cách tâm giữa 2 cụm ống ngang là S1:

ở đầu vào và bộ góp dưới ở đầu ra Bộ góp trên có đường kính là 150mm, chiều dài

là 1480mm, được dùng để phân bố đều lưu lượng chất tải lạnh từ dàn FCU về đi vào dàn trao đổi nhiệt trong bồn tích trữ lạnh Bộ góp dưới có kích thước 300mm × 150mm × 1480mm được dùng để tập trung chất tải lạnh sau khi thực hiện quá trình trao đổi nhiệt ở dàn trao đổi nhiệt và được bơm đi để phân phối đến các dàn FCU Bồn tích trữ lạnh được bọc cách nhiệt bằng vật liệu bông thủy tinh và xốp Chiều dày lớp cách nhiệt cho vách bồn là 100mm, chiều dày lớp cách nhiệt của đáy bồn là 200mm Việc bố trí bộ trao đổi bên trong bồn sử dụng ống PVC đường kính 21mm, với khoảng cách giữa tâm của các hàng ống nằm ngang 200mm; giữa các hàng ống đứng là 135mm Với khoảng cách nếu trên chất lỏng có đủ không gian để trao đổi nhiệt linh hoạt với đường ống nhựa, đồng thời không gian tiếp xúc giữa các hàng ống song song nhau làm tăng hiệu suất trao đổi nhiệt với chất lỏng trong ống Hình 3.1 và 3.2 thể hiện sơ đồ thiết kế của bồn và dàn trao đổi nhiệt theo phương hình chiếu bằng và chiếu cạnh Mô hình thiết kế 3D của hệ thống tích trữ lạnh được thể hiện ở hình 3.3