Đề tài Thiết kế máy lạnh hấp thụ để điều hòa không khí văn phòng làm việc

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngô Sĩ Dũng
 Trang 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: “Thiết kế máy lạnh hấp thụ để điều hòa không khí văn phòng làm việc” GVHD: giáo Th.s-Nguyễn Thành Văn SVTH: Ngô Sĩ Dũng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngô Sĩ Dũng
 Trang 2 MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 5 Chương1: TỔNG QUAN VỀ MÁY LẠNH HẤP THỤ ................................ 7 1.1. Máy lạnh hấp thụ ........................................................................................ 7 1.1.1.Chu trình lý thuyết ................................................................................. 7 1.1.2. Ưu, nhược điểm .................................................................................... 9 1.1.3.Mô hình máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr một cấp thực tê .......................... 9 1.2. Môi chất dùng trong máy lạnh hấp thụ .................................................. 10 1.2.1.Yêu cầu đối với môi chất dùng trong máy lạnh hấp thụ ...................... 10 1.2.2. Cặp môi chất H2O/LiBr ...................................................................... 11 1.3.Nhiệm vụ của đề tài .................................................................................... 17 1.4.Chọn thông số tính toán và cấp điều hòa trong hệ thống điều hòa không khí ...................................................................................................................... 17 1.4.1.Cấp điều hòa không khí trong hệ thống điều hòa không khí ............... 17 1.4.2.Chọn thông số tính toán ....................................................................... 17 Chương 2: TÍNH TOÁN PHỤ TẢI LẠNH ................................................... 19 2.1.Cân bằng nhiệt trong phòng cần điều hòa không khí ............................ 19 2.2.Tính lượng nhiệt truyền qua kết cấu bao che do độ chênh nhiệt độ ..... 19 2.2.1.Xác định hiệu số nhiệt độ tính toán ..................................................... 19 2.2.2.Xác định hệ số truyền nhiệt của kết cấu bao che ................................. 20 2.2.3.Bề mặt trao đổi nhiệt của các kết cấu bao che ..................................... 22 2.2.4.Tính lượng nhiệt truyền qua nền nhà ................................................... 23 2.3.Tính toán lượng nhiệt truyền vào phòng do bức xạ mặt trời ............... 24 2.3.1.Tính tính toán nhiệt bức xạ truyền qua cửa kính ................................. 24 2.3.2.Tính toán nhiệt bức xạ truyền qua kết cấu bao che ............................. 25 2.4.Tính lượng nhiệt tỏa ................................................................................... 26 2.4.1.Nhiệt do người tỏa ra ........................................................................... 26 2.4.2.Nhiệt tỏa ra do thắp sáng ..................................................................... 26 2.4.3.Nhiệt do máy móc tỏa ra ...................................................................... 27 2.5.Tính lượng ẩm thừa ................................................................................... 27 2.6.Thành lập và tính toán sơ đồ điều hòa không khí ................................... 27 2.6.1.Xác định hệ số góc tia của quá trình thay đổi trạng thái không khí trong phòng εT ....................................................................................................... 27 2.6.2. Sơ đồ tuần hoàn không khí theo một cấp ............................................ 28 Chương3: TÍNH TOÁN CHU TRÌNH MÁY LẠNH HẤP THỤ H2O/BrLi MỘT CẤP ............................................. 32 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngô Sĩ Dũng
 Trang 3 3.1. Mô hình máy lạnh hấp thụ H2O/ LiBr một cấp ..................................... 32 3.1.1. Mô hình máy lạnh hấp thụ H2O/ LiBr được chọn như sau ................. 33 3.1.2.Nguyên lý làm việc máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr một cấp ................... 34 3.2.Tính toán chu trình máy lạnh hấp thụ H2O/BrLi một cấp .................... 35 3.2.1.Các đại lượng đã biết ........................................................................... 35 3.2.2.Xác định nhiệt độ bay hơi to ................................................................. 35 3.2.3.Xác định nhiệt độ ngưng tụ .................................................................. 36 3.2.4.Xác định nhiệt độ dung dịch trong bình sinh hơi ................................ 36 3.2.5.Xác định các điểm nút .......................................................................... 36 3.2.6. Xác định lưu lượng dung dịch tuần hoàn ............................................ 37 3.2.7.Xác định nhiệt độ ra khỏi thiết bị hồi nhiệt ......................................... 38 3.2.8.Chu trình máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr một cấp ................................... 39 3.2.9.Lập bảng thông số các điểm nút .......................................................... 39 3.2.10.Xác định phụ tải của các thiết bị ........................................................ 40 3.3.Xác định hệ số làm lạnh ............................................................................. 40 Chương 4: TÍNH CÁC THIẾT BỊ CỦA MÁY LẠNH HẤP THỤ H2O/LiBr MỘT CẤP ......................................... 41 4.1.Thiết bị bay hơi và hấp thụ ....................................................................... 41 4.1.1.Tính diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi ................................. 41 4.1.2.Tính toán thiết kế thiết bị sinh hơi ................................................................. 45 4.1.3.Tính diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị hấp thụ ................................. 45 4.1.4.Tính toán thiết kế thiết bị hấp thụ ........................................................ 49 4.2.Thiết bị ngưng tụ và sinh hơi .................................................................... 50 4.2.1.Tính diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ............................... 50 4.2.2.Tính toán thiết kế thiết bị ngưng tụ ...................................................... 54 4.2.3.Tính diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị sinh hơi ................................ 55 4.2.4.Tính toán thiết kế thiết bị sinh hơi ....................................................... 57 4.3.Thiết bị hồi nhiệt ........................................................................................ 58 4.3.1.Cấu tạo ................................................................................................. 58 4.3.2.Tính diên tích trao đổi nhiệt ................................................................. 59 Chương5: GIỚI HẠN VÙNG LÀM VIỆC CỦA MÁY LẠNH HẤP THỤ H2O/LiBr MỘT CẤP ..................................... 64 5.1. Giới hạn vùng làm việc của máy lạnh hấp thụ một cấp ........................ 64 5.2. Giới hạn của nhiệt độ nguồn gia nhiệt trong máy lạnh hấp thụ H2O/ LiBr một cấp ........................................................................................... 65 5.2.1. Phạm vi khảo sát ................................................................................. 66 5.2.2. Xác định giá trị nhiệt độ cực tiểu của nguồn gia nhiệt ....................... 66 5.2.3. Xác định giá trị nhiệt độ cực đại của dung dịch ................................. 67 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngô Sĩ Dũng
 Trang 4 Chương6: TÍNH SỨC BỀN CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG HỆ THỐNG MÁY LẠNH HẤP THỤ H2O/LiBr MỘT CẤP ........................................... 69 6.1.Tính chiều dày các thân bình hình trụ ..................................................... 69 6.1.1.Tính chiều dày của bình chứa thiết bị bay hơi và hấp thụ ................... 69 6.1.2.Tính chiều dày của bình chứa thiết bị ngưng tụ và sinh hơi ................ 70 6.1.3.Tính kiểm tra chiều dày ống trao đổi nhiệt trong các thiết bị .............. 71 6.2.Tính chiều dày các mặt sàng .................................................................... 74 6.2.1.Tính chiều dày của mặt sàng chứa thiết bị bay hơi và hấp thụ ............ 74 6.2.2.Tính chiều dày của mặt sàng chứa thiết bị ngưng tụ và sinh hơi ........ 76 Chương7: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HỆ THỐNG LẠNH HẤP THỤ ........................................................ 79 7.1.Mục đích tự động hóa hệ thống lạnh ........................................................ 79 7.2.Đặc tính hoạt động của máy lạnh hấp thụ ............................................... 79 7.2.1.Aính hưởng của nhiệt độ vào của nước giải nhiệt ............................... 79 7.2.2.Aính hưởng của nhiệt độ nguồn gia nhiệt ............................................ 80 7.3.Điều chỉnh năng suất máy lạnh hấp thụ .................................................. 80 7.3.1.Điều chỉnh bằng phương pháp điều tiết nguồn gia nhiệt ..................... 80 7.3.2.Điều chỉnh bằng phương pháp điều tiết lượng tuần hoàn dung dịch đậm đặc ......................................................................................................... 81 7.3.3.Điều chỉnh bằng cả hai phương pháp trên ........................................... 82 7.3.4.Điều chỉnh bằng cách kết hợp máy nén hơi ......................................... 82 7.4.Sự kết tinh, các nguyên nhân, biên pháp khắc phục và đề phòng ........ 82 7.4.1.Sự kết tinh ............................................................................................ 82 7.4.2.những nguyên nhân gây ra kết tinh ...................................................... 82 7.4.3.Các biện pháp khắc phục ..................................................................... 83 7.4.4.Các biện pháp đề phòng ....................................................................... 83 7.5.Bảo vệ tự động máy lạnh hấp thụ ............................................................. 84 7.5.1.Khóa điều khiển ...................................................................................... 84 7.5.2.Bảo vệ nhiệt độ nước tải lạnh ra khỏi máy lạnh ..................................... 84 7.5.3.Bảo vệ lưu lượng nước tải lạnh .............................................................. 84 7.5.4.Bảo vệ lưu lượng nước giải nhiệt ........................................................... 85 7.5.5.Bảo vệ nhiệt độ bay hơi .......................................................................... 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 86 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngô Sĩ Dũng
 Trang 5 LỜI MỞ ĐẦU Việt nam là đất nước có khí hậu nhiệt đới nóng và ẩm, vì vậy điều hoà không khí có ý nghĩa vô cùng to lớn đối với đời sống con người và sản xuất. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung, kỹ thuật điều hoà không khí đã có những bước tiến đáng kể trong một vài thập kỷ qua. Đặc biệt là ở Việt Nam, từ khi có chính sách mở cửa, các thiết bị điều hoà không khí đã được nhập từ nhiều nước khác nhau, với nhu cầu ngày càng tăng và ngày càng hiện đại hơn. Tuy nhiên, hầu hết các trang thiết bị lạnh đều dùng môi chất frêon, một chất mà Công ước Quốc tế Montréal hạn chế sử dụng vì làm suy giảm tầng ôzôn và gây hiệu ứng lồng kính. Vì vậy, việc tìm một môi chất lạnh khác để thay thế là điều mà cả thế giới quan tâm, và tập trung nhất hiện nay là mô hình máy lạnh hấp thụ. dùng nguồn gia nhiệt do đốt nhiên liệu, do hơi nước, do khói thải của các trung tâm nhiệt điện và dùng năng lượng mặt trời. Hiện nay, ở Việt nam, trong các hệ thống điều hoà không khí lớn, đang có xu hướng thay thế máy nén lạnh thông thường bằng máy lạnh hấp thụ như Công ty dệt Việt Thắng, nhà máy bột ngọt VeDan, nhà máy điện Hiệp Phước, Siêu thị Cora Đồng Nai, Công ty HonDa Vĩnh Phú ...Tuy nhiên, do giá thành quá đắt và dải công suất làm việc của máy lạnh hấp thụ quá lớn, cho nên máy lạnh hấp thụ ở nước ta, sử dụng chưa nhiều và chưa phổ biến . Việt nam là một nước nhiệt đới xích đạo, nên khí hậu rất nóng làm cho con người chóng mệt và thực phẩm nhanh hỏng. Vì vậy, nhu cầu về lạnh để điều hoà không khí trong sinh hoạt, sản xuất và bảo quản thực phẩm ngày càng tăng và tiêu thụ một lượng điện năng đáng kể. Cho nên, máy lạnh hấp thụ sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau: năng lượng nhiệt mặt trời, tận dụng nhiệt năng thừa, phế thải, thứ cấp, rẻ tiền như khói thải, hơi trích, nguồn nhiệt thải có nhiệt độ thấp ...là có ý nghĩa rất quan trọng trong thực tiễn. Các ngành thực phẩm, hoá dầu, luyện kim và các ngành mũi nhọn khác của nền kinh tế quốc dân, là các hộ tiêu thụ lạnh rất lớn cho nhu cầu công nghệ, sự điều hoà không khí trong sản xuất và sinh hoạt, đồng thời cũng là nơi thải ra nguồn nhiệt thứ cấp phế thải rất lớn. Điều này, đã đặt ra vấn đề tận dụng nguồn nhiệt thải này để điều hoà không khí cho khu vực sản xuất và sinh hoạt của các nhà máy trên . ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngô Sĩ Dũng
 Trang 6 Đồ án này, tập trung nghiên cứu mô hình máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr một cấp sử dụng nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp dùng để điều hòa không khí. Trong quá trình thực hiện nhiệm vụ của đồ án tốt nghiệp này, Em xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy giáo Th.s-Nguyễn Thành Văn ,cùng quý thấy cô trong khoa và các bạn trong lớp, đã giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Vì điều kiện thời gian, tài liệu tham khảo và khả năng của bản thân có hạn nên đồ án không khỏi những thiếu sót, vậy kính mong sự góp ý chân thành của quý thầy cô. Đà Nẵng, ngày 27 tháng 05 năm 2003 Sinh viên thực hiện Ngô Sĩ Dũng Chương1: TỔNG QUAN VỀ MÁY LẠNH HẤP THỤ 1.1. Máy lạnh hấp thụ: 1.1.1. Chu trình lý thuyết : Về cơ bản, máy lạnh hấp thụ cũng giống như máy lạnh nén hơi, chỉ khác là thay máy nén hơi dùng điện bằng cụm “máy nén nhiệt” dùng nhiệt của nguồn gia nhiệt. Cụm “máy nén nhiệt” bao gồm : thiết bị hấp thụ, bơm dung dịch, bình sinh hơi và tiết lưu dung dịch ( hình 1.1) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngô Sĩ Dũng
 Trang 7 Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ. SH: Bình sinh hơi, BDD: Bơm dung dịch, HT: Bình hấp thụ, TLDD: Tiết lưu dung dịch. Nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ hay của máy nén nhiệt như sau : Bình hấp thụ “hút” hơi sinh ra từ thiết bị bay hơi, cho tiếp xúc với dung dịch loãng từ van tiết lưu dung dịch đến. Do nhiệt độ thấp, dung dịch loãng hấp thụ hơi môi chất để trở thành dung dịch đậm đặc. Nhiệt tỏa ra trong quá trình hấp thụ được thải ra cho nước làm mát. Dung dịch đậm đặc được bơm dung dịch bơm lên bình sinh hơi ở áp suất cao Pk. Tại đây, dung dịch đậm đặc nhận nhiệt của nguồn gia nhiệt sẽ sôi hoá hơi, hơi môi chất tách ra ở áp suất cao được đi vào thiết bị ngưng tụ. Quá trình diễn ra ở thiết bị ngưng tụ, tiết lưu và bay hơi giống như ở các máy lạnh nén hơi. Sau khi sinh hơi, dung dịch đậm đặc trở thành dung dịch loãng và qua van tiết lưu dung dịch, giảm áp trở về bình hấp thụ, khép kín vòng tuần hoàn dung dịch. Phương trình cân bằng nhiệt của máy lạnh hấp thụ : Q’k + Q’A = Q’o + Q’H + Q’B Trong đó : Q’k : Nhiệt thải ra của thiết bị ngưng tụ QH QA BDD SH 2 HT BH NT 3 1 4 TL TLDD PK P0 QK Q0 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngô Sĩ Dũng
 Trang 8 Q’A : Nhiệt thải ra của thiết bị hấp thụ Q’0 : Nhiệt trao đổi của thiết bị bay hơi Q’H : Nhiệt tiêu tốn cho quá trình sinh hơi Q’B : Nhiệt quy đổi tiêu tốn cho bơm dung dịch Hệ số làm lạnh của máy lạnh hấp thụ : ζ = BH QQ Q '' '0 + = HQ Q ' '0 (Vì Q’B << Q’H) Điều kiện cho một chu trình máy lạnh hấp thụ hoạt động được là : ∆ξ = ξr - ξa > 0 Trong đó : ξ : Nồng độ khối lượng dung dịch : ξ = khối lượng môi chất lạnh khối lượng môi chất lạnh + khối lượng chất hấp thụ ξr : Nồng độ dung dịch đậm đặc sau khi ra khỏi bình hấp thụ ξa : Nồng độ dung dịch loãng sau khi ra khỏi bình sinh hơi ∆ξ : còn gọi là vùng khử khí. Vậy vùng khử khí phải dương . 1.1.2. Ưu, nhược điểm: Ưu điểm lớn nhất của máy lạnh hấp thụ là sử dụng chủ yếu nguồn nhiệt năng có nhiệt độ không cao (80 ÷ 1500C) để hoạt động . Chính vì thế, máy lạnh hấp thụ góp phần vào việc sử dụng hợp lý các nguồn năng lượng khác nhau: năng lượng nhiệt mặt trời, tận dụng nhiệt năng thừa, phế thải, thứ cấp, rẻ tiền như khói thải, hơi trích ... Ưu điểm tiếp theo của máy lạnh hấp thụ là có rất ít chi tiết chuyển động, kết cấu chủ yếu là các thiết bị trao đổi nhiệt và trao đổi chất, bộ phận chuyển động duy nhất là bơm dung dịch. Vì vậy, máy lạnh hấp thụ vận hành đơn giản, độ tin cậy cao, máy làm việc ít ồn và rung. Trong vòng tuần hoàn hoàn môi chất, không có dầu bôi trơn nên bề mặt các thiết bị trao đổi nhiệt không bị bám dầu làm nhiệt trở tăng như trong máy lạnh nén hơi. Ngoài ra, hiện nay, khi tình trạng phá hủy tầng Ôzôn do các chất frêon gây ra, việc tìm các môi chất lạnh khác thay thế đang còn rất khó khăn thì việc dùng máy lạnh hấp thụ thay thế máy lạnh nén hơi trong lĩnh vực điều hòa không khí có ý nghĩa rất lớn . Máy lạnh hấp thụ cũng có nhược điểm là giá thành hiện nay còn rất đắt, cồng kềnh, diện tích lắp đặt lớn hơn so với máy lạnh nén hơi. Lượng nước làm mát tiêu thụ cũng lớn hơn vì phải làm mát thêm bình hấp thụ. Thời gian khởi động chậm, tổn thất khởi động lớn do lượng dung dịch chứa trong thiết bị lớn . 1.1.3.Mô hình máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr một cấp thực tế: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngô Sĩ Dũng
 Trang 9 Hình 1.2. Sơ đồ máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr một cấp thực tế. Hình 1.3.Máy lạnh hấp thụ H2O/LiBr một cấp của Trane. 1.2. Môi chất dùng trong máy lạnh hấp thụ : 1.2.1. Yêu cầu đối với môi chất dùng trong máy lạnh hấp thụ : Ngoài môi chất lạnh, máy lạnh hấp thụ còn sử dụng thêm một môi chất hấp thụ nữa, gọi chung là cặp môi chất lạnh. Yêu cầu đối với cặp môi chất lạnh trong ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngô Sĩ Dũng
 Trang 10 máy lạnh hấp thụ cũng giống như đối với các môi chất lạnh khác là có tính chất nhiệt động tốt, không độc hại, khó cháy, khó nổ, không ăn mòn đối với vật liệu chế tạo máy, phải rẽ tiền, dễ kiếm... Ngoài ra cặp môi chất lạnh cần phải : - Hòa tan hoàn toàn vào nhau nhưng nhiệt độ sôi ở cùng điều kiện áp suất càng xa nhau càng tốt, để hơi môi chất lạnh sinh ra ở bình sinh hơi không lẫn chất hấp thu û. - 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 . Hiện nay, máy lạnh hấp thụ sử dụng phổ biến hai loại cặp môi chất lạnh là NH3/ H2O và H2O/ LiBr. Hiện nay, có một số công trình đã công bố dùng các chất hấp thụ rắn trong máy lạnh hấp thụ chu kỳ như CaCl2, zeôlit, cacbon hoạt tính ...nhưng vẫn chưa được sử dụng phổ biến vì tuy chúng có ưu điểm là không cần thiết bị tinh cất, nhưng do có các nhược điểm là : làm giảm hệ số dẫn nhiệt, sự giãn nỡ thể tích quá mức (gấp 10 lần) và tỏa ra nhiệt lượng rất lớn trong quá trình hấp thụ dẫn đến làm giảm đáng kể hệ số hữu ích của thiết bị . Máy lạnh hấp thụ H2O/ LiBr có các ưu điểm chính sau : - Nước là môi chất lạnh nên đảm bảo vệ sinh môi trường . - Tỷ số áp suất ngưng tụ và áp suất bay hơi nhỏ (khoảng 4) . - Không cần thiết bị tinh cất hơi môi chất vì từ dung dịch H2O/ LiBr chỉ có hơi của môi chất lạnh là nước thoát ra . - Nhiệt độ nguồn nhiệt cấp cho thiết bị sinh hơi cho phép thấp đến 800C . Tuy nhiên, máy lạnh hấp thụ H2O/ LiBr có các nhược điểm sau : - Tính ăn mòn của dung dịch rất cao, gây han rỉ thiết bị nên yêu cầu phải dùng kim loại quý, đắt tiền . - Phải duy trì độ chân không rất sâu trong thiết bị . - Có khả năng xảy ra sự kết tinh gây tắt nghẽn thiết bị . - Nhiệt độ bay hơi không thấp hơn (3 ÷ 7)0C vì môi chất lạnh là nước đóng băng ở 00C . Chính vì hai nhược điểm đầu mà giá thành của máy lạnh hấp thụ H2O/ LiBr rất đắt . Còn máy lạnh hấp thụ NH3/ H2O, tuy không hiệu quả bằng máy lạnh hấp thụ H2O/ LiBr và còn gây mùi khai, độc hại nếu xì hở. Ngoài ra, do lượng nước cuốn theo hơi NH3 rất lớn nên cần phải có thiết bị tinh luyện hơi NH3 trước khi vào bình